一種場效應有機太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及太陽能電池等光伏器件的技術領域，尤其是一種場效應太陽能電極及 其制備方法。
【背景技術】
[0002] 有機太陽能電池具有柔性、價格低廉、可大面積制備等優點，具有巨大的市場前 景，成為學術研究與產業開發所關注的熱點。從實際應用角度考慮，實驗室有機太陽能電池 的光電轉換效率至少需要達到10 %，且壽命超過7年才有可能嘗試批量生產和商業應用。 近年來有機太陽能電池效率的提升取得了非常鼓舞人心的成果，多個研究組報導了 >8%的 效率，2012年更有小組已經達到了 10%這一器件效率門檻。從研究角度看，熱力學理論分 析認為有機太陽能電池的效率極限可以達到22 - 27%，因此有機太陽能電池的效率還有很 大的上升空間。目前，提高有機太陽能電池效率的手段主要有兩個：（1)設計新型活性材料 分子結構，包括降低給體分子帶隙寬度、降低給體材料HOMO能級、設計二維給體聚合物分 子骨架以及調節給體分子的分子量等；(2)優化器件制備工藝：包括調控器件中材料界面， 材料形貌等。這些研究的目的是為了提高器件的三個參數：開路電壓V。。、短路電流Js。和填 充因子FF。然而研究發現，L。與Js。相互制約，提升L。的同時往往以降低Js。為代價，反之 亦然，而影響FF的因素多而復雜，因此難以同時提高這三個性能參數。
[0003] 現有的傳統有機太陽能電池的光電轉換效率普遍偏低，為了提高有機太陽能電池 的光電轉換效率，研究者（1)從材料合成角度進行了活性材料分子結構設計包括降低給體 分子帶隙寬度、降低給體材料HOMO能級、設計二維給體聚合物分子骨架以及調節給體分子 的分子量等；這個方面的研究費時，費力，昂貴，目的性不強，而且還受制于器件的制備工 藝，不確定性因素很多。（2)從器件物理的角度出發，研究者對器件的制備工藝進行了一系 列的研究。然而研究發現，V。。與Js。相互制約，提升I。的同時往往以降低Js。為代價，反之 亦然，而影響FF的因素多而復雜，因此難以同時提高這三個性能參數。這類研究得到的工 藝參數只適用于某種或某類材料，并沒有普適性，因此這種方法也有很多不確定性因素。
[0004] 在2012年"納米快訊"上，研究者發表了用Cu20和硅作為活性材料，用幾十到幾百 納米寬的半透明的金屬作為太陽能電池的一個電極，在電極上方蓋上絕緣層和門電極。用 來調控器件的光電轉換效率。這種設計的缺陷在于：（1)器件能夠利用的光能會很少（半 透明電極的透光率只有40%) ;(2)由于電極大小的限制，使得器件的內阻增加，從而導致 器件的開路電壓很小，沒有實用價值。
【發明內容】
[0005] 為解決上述問題，本發明提供一種場效應有機太陽能電池的制備方法，其包括如 下步驟：
[0006] 步驟一：在襯底上分別刻蝕陽電極、陰電極、以及獨立于所述陽電極、陰電極的門 電極，所述門電極與所述襯底至少一邊緣連通；
[0007] 步驟二：在所述門電極上利用原子層沉積法生長介電層；
[0008] 步驟三：在所述介電層上通過氣相聚合的方法原位生長陽極材料；然后對所述陽 極材料進行刻蝕，形成具有若干通孔的網狀陽極層；
[0009] 步驟四：在所述網狀陽極層上形成活性層，退火處理；所述活性層通過所述通孔 與所述介電層連接；
[0010] 步驟五：然后在所述活性層上形成陰極層。
[0011] 其中，所述門電極還還包括：開設于所述襯底中心的第一部分；以及開設于所述 第一部分與所述襯底邊緣之間的橋接部，用于連通所述第一部分以及所述襯底邊緣。
[0012] 其中，所述門電極還包括與所述襯底邊緣連通的第二部分，所述第二部分與所述 第一部分通過所述橋接部連通。
[0013] 其中，所述門電極占所述襯底面積的10~20%。
[0014] 其中，所述網狀陽極層的占空比為1:1.5 ;所述網狀陽極層的材料為高分子聚合 物、金屬材料或導電氧化物；
[0015] 所述介電層材料為金屬氧化物、金屬氮化物或高分子聚合物；所述介電層的厚度 為10~10000納米。
[0016] 其中，所述活性層由空穴傳輸材料和活性材料構成。
[0017] 本發明還提供這種場效應有機太陽能電池，其從下至上依次包括：刻蝕有陽電極、 陰電極的襯底、介電層、網狀陽極層，活性層以及陰極層；所述襯底還刻蝕有獨立于所述陽 電極、陰電極的門電極，所述門電極與所述襯底至少一邊緣連通。
[0018] 其中，所述門電極還還包括：開設于所述襯底中心的第一部分；以及開設于所述 第一部分與所述襯底邊緣之間的橋接部，用于連通所述第一部分以及所述襯底邊緣。
[0019] 其中，所述門電極還包括與所述襯底邊緣連通的第二部分，所述第二部分與所述 第一部分通過所述橋接部連通。
[0020] 其中，所述門電極占所述襯底面積的10~20%。
[0021] 其中，所述網狀陽極層的占空比為1:1.5 ;所述網狀陽極層的材料為高分子聚合 物、金屬材料或導電氧化物；
[0022] 所述介電層材料為金屬氧化物、金屬氮化物或高分子聚合物；所述介電層的厚度 為10~10000納米。
[0023] 其中，所述活性層由空穴傳輸材料和活性材料構成。
[0024] 本發明提供一種場效應增強有機太陽能電池，其對現有場效應太陽能電池的結構 進行改進，將柵極引出襯底形成門電極，用外加門控電壓調控器件內部電場以提升載流子 分離、輸運、收集效率，降低復合，從而從同時提高V%、Js。，FF值，最終提高太陽能電池的效 率。該器件的實現不僅有望獲得較高的光電轉換效率，而且將進一步驗證電場提升載流子 傳輸和光伏性能機理的設想。
【附圖說明】
[0025] 圖1為現有場效應有機太陽能電池的襯底俯視結構示意圖。
[0026] 圖2為本發明場效應有機太陽能電池的襯底俯視結構示意圖。
[0027] 圖3為本發明場效應有機太陽能電池沿圖2中PP'線縱向剖切示意圖。
[0028] 圖4為本發明場效應有機太陽能電池在施加門電壓后的電流-電壓曲線圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面，將結合實施例對本發明做詳細介紹。
[0030] 實施例1
[0031] 現有的場效應有機太陽能電池，如圖1所示，包括在襯底210刻蝕出的陽電極 220，、陰電極230和柵電極240。其中柵電極240 -般位于襯底210的中心部分。這種結構 不利于開路電壓I。、短路電流Js。和填充因子FF的提高。
[0032] 本實施例提供一種場效應有機太陽能電池，如圖2所示，其包括在襯底刻蝕出的 陽電極120,、陰電極130和門電極140,其中門電極140是對現有技術柵電極240的改進， 為了與現有的柵電極240區別，本發明命名為"門電極"。這樣，本發明的太陽能電池從下至 上依次包括：刻蝕有陽電極120、陰電極130的襯底110、介電層150、網狀陽極層160,活性 層170以及陰極層180。其中，所述門電極140是獨立于所述陽電極120、陰電極130在襯 底110形成，所述門電極140與所述襯底110至少一邊緣連通，用于將門電極140引出。
[0033] 在本實施例中，優選的方案可以是：門電極140還包括開設于所述襯底中心的第 一部分141 ;以及開設于所述第一部分141與所述襯底110邊緣之間的橋接部143,用于連 通所述第一部分141以及所述襯底110邊緣。
[0034] 進一步地，所述門電極140還包括與所述襯底110邊緣連通的第二部分142,所述 第二部分142與所述第一部分141通過所述橋接部143連通。第二部分142的開設是為了 方便器件的測試，占有面積越小越好。
[0035] 下面，結合圖2介紹這種太陽能電池的制備方法。
[0036] 本實施例提供一種場效應有機太陽能電池的制備方法，其包括如下步驟：
[003