一种场效应有机太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能电池等光伏器件的技术领域，尤其是一种场效应太阳能电极及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 有机太阳能电池具有柔性、价格低廉、可大面积制备等优点，具有巨大的市场前 景，成为学术研究与产业开发所关注的热点。从实际应用角度考虑，实验室有机太阳能电池 的光电转换效率至少需要达到10 %，且寿命超过7年才有可能尝试批量生产和商业应用。 近年来有机太阳能电池效率的提升取得了非常鼓舞人心的成果，多个研究组报导了 >8%的 效率，2012年更有小组已经达到了 10%这一器件效率门槛。从研究角度看，热力学理论分 析认为有机太阳能电池的效率极限可以达到22 - 27%，因此有机太阳能电池的效率还有很 大的上升空间。目前，提高有机太阳能电池效率的手段主要有两个：（1)设计新型活性材料 分子结构，包括降低给体分子带隙宽度、降低给体材料HOMO能级、设计二维给体聚合物分 子骨架以及调节给体分子的分子量等；(2)优化器件制备工艺：包括调控器件中材料界面， 材料形貌等。这些研究的目的是为了提高器件的三个参数：开路电压V。。、短路电流Js。和填 充因子FF。然而研究发现，L。与Js。相互制约，提升L。的同时往往以降低Js。为代价，反之 亦然，而影响FF的因素多而复杂，因此难以同时提高这三个性能参数。
[0003] 现有的传统有机太阳能电池的光电转换效率普遍偏低，为了提高有机太阳能电池 的光电转换效率，研究者（1)从材料合成角度进行了活性材料分子结构设计包括降低给体 分子带隙宽度、降低给体材料HOMO能级、设计二维给体聚合物分子骨架以及调节给体分子 的分子量等；这个方面的研究费时，费力，昂贵，目的性不强，而且还受制于器件的制备工 艺，不确定性因素很多。（2)从器件物理的角度出发，研究者对器件的制备工艺进行了一系 列的研究。然而研究发现，V。。与Js。相互制约，提升I。的同时往往以降低Js。为代价，反之 亦然，而影响FF的因素多而复杂，因此难以同时提高这三个性能参数。这类研究得到的工 艺参数只适用于某种或某类材料，并没有普适性，因此这种方法也有很多不确定性因素。
[0004] 在2012年"纳米快讯"上，研究者发表了用Cu20和硅作为活性材料，用几十到几百 纳米宽的半透明的金属作为太阳能电池的一个电极，在电极上方盖上绝缘层和门电极。用 来调控器件的光电转换效率。这种设计的缺陷在于：（1)器件能够利用的光能会很少（半 透明电极的透光率只有40%) ;(2)由于电极大小的限制，使得器件的内阻增加，从而导致 器件的开路电压很小，没有实用价值。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种场效应有机太阳能电池的制备方法，其包括如 下步骤：
[0006] 步骤一：在衬底上分别刻蚀阳电极、阴电极、以及独立于所述阳电极、阴电极的门 电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通；
[0007] 步骤二：在所述门电极上利用原子层沉积法生长介电层；
[0008] 步骤三：在所述介电层上通过气相聚合的方法原位生长阳极材料；然后对所述阳 极材料进行刻蚀，形成具有若干通孔的网状阳极层；
[0009] 步骤四：在所述网状阳极层上形成活性层，退火处理；所述活性层通过所述通孔 与所述介电层连接；
[0010] 步骤五：然后在所述活性层上形成阴极层。
[0011] 其中，所述门电极还还包括：开设于所述衬底中心的第一部分；以及开设于所述 第一部分与所述衬底边缘之间的桥接部，用于连通所述第一部分以及所述衬底边缘。
[0012] 其中，所述门电极还包括与所述衬底边缘连通的第二部分，所述第二部分与所述 第一部分通过所述桥接部连通。
[0013] 其中，所述门电极占所述衬底面积的10~20%。
[0014] 其中，所述网状阳极层的占空比为1:1.5 ;所述网状阳极层的材料为高分子聚合 物、金属材料或导电氧化物；
[0015] 所述介电层材料为金属氧化物、金属氮化物或高分子聚合物；所述介电层的厚度 为10~10000纳米。
[0016] 其中，所述活性层由空穴传输材料和活性材料构成。
[0017] 本发明还提供这种场效应有机太阳能电池，其从下至上依次包括：刻蚀有阳电极、 阴电极的衬底、介电层、网状阳极层，活性层以及阴极层；所述衬底还刻蚀有独立于所述阳 电极、阴电极的门电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通。
[0018] 其中，所述门电极还还包括：开设于所述衬底中心的第一部分；以及开设于所述 第一部分与所述衬底边缘之间的桥接部，用于连通所述第一部分以及所述衬底边缘。
[0019] 其中，所述门电极还包括与所述衬底边缘连通的第二部分，所述第二部分与所述 第一部分通过所述桥接部连通。
[0020] 其中，所述门电极占所述衬底面积的10~20%。
[0021] 其中，所述网状阳极层的占空比为1:1.5 ;所述网状阳极层的材料为高分子聚合 物、金属材料或导电氧化物；
[0022] 所述介电层材料为金属氧化物、金属氮化物或高分子聚合物；所述介电层的厚度 为10~10000纳米。
[0023] 其中，所述活性层由空穴传输材料和活性材料构成。
[0024] 本发明提供一种场效应增强有机太阳能电池，其对现有场效应太阳能电池的结构 进行改进，将栅极引出衬底形成门电极，用外加门控电压调控器件内部电场以提升载流子 分离、输运、收集效率，降低复合，从而从同时提高V%、Js。，FF值，最终提高太阳能电池的效 率。该器件的实现不仅有望获得较高的光电转换效率，而且将进一步验证电场提升载流子 传输和光伏性能机理的设想。
【附图说明】
[0025] 图1为现有场效应有机太阳能电池的衬底俯视结构示意图。
[0026] 图2为本发明场效应有机太阳能电池的衬底俯视结构示意图。
[0027] 图3为本发明场效应有机太阳能电池沿图2中PP'线纵向剖切示意图。
[0028] 图4为本发明场效应有机太阳能电池在施加门电压后的电流-电压曲线图。
【具体实施方式】
[0029] 下面，将结合实施例对本发明做详细介绍。
[0030] 实施例1
[0031] 现有的场效应有机太阳能电池，如图1所示，包括在衬底210刻蚀出的阳电极 220，、阴电极230和栅电极240。其中栅电极240 -般位于衬底210的中心部分。这种结构 不利于开路电压I。、短路电流Js。和填充因子FF的提高。
[0032] 本实施例提供一种场效应有机太阳能电池，如图2所示，其包括在衬底刻蚀出的 阳电极120,、阴电极130和门电极140,其中门电极140是对现有技术栅电极240的改进， 为了与现有的栅电极240区别，本发明命名为"门电极"。这样，本发明的太阳能电池从下至 上依次包括：刻蚀有阳电极120、阴电极130的衬底110、介电层150、网状阳极层160,活性 层170以及阴极层180。其中，所述门电极140是独立于所述阳电极120、阴电极130在衬 底110形成，所述门电极140与所述衬底110至少一边缘连通，用于将门电极140引出。
[0033] 在本实施例中，优选的方案可以是：门电极140还包括开设于所述衬底中心的第 一部分141 ;以及开设于所述第一部分141与所述衬底110边缘之间的桥接部143,用于连 通所述第一部分141以及所述衬底110边缘。
[0034] 进一步地，所述门电极140还包括与所述衬底110边缘连通的第二部分142,所述 第二部分142与所述第一部分141通过所述桥接部143连通。第二部分142的开设是为了 方便器件的测试，占有面积越小越好。
[0035] 下面，结合图2介绍这种太阳能电池的制备方法。
[0036] 本实施例提供一种场效应有机太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：
[003