专利名称：一种有机太阳电池的结构及其该结构制备的有机太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池，特别是一种有机太阳电池的结构及其采用该结构制备的有机太阳电池，该有机太阳电池的结构利用定向碳纳米管阵列作为空穴传输层，提高空穴输运到正极的几率，减短空穴传输到正极的传输路径，从而提高太阳电池的效率。
背景技术：
21世纪世界能源将发生巨大的变革，以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样化、复合型的能源结构。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，一直是人们心目中理想的能源取代方案之一。将太阳能直接转换为电能的光伏发电是各种太阳能利用方式中最为灵活、最具有普遍意义的一种。太阳电池是光伏发电系统的核心元件，太阳电池技术的进步对于太阳能利用的推广有着重要的意义，而提高效率和降低成本是目前太阳电池技术发展的准则。
硅材料太阳电池已发展多年，但是用于制作电池的太阳能级硅材料的价格非常昂贵，再加上电池制造工艺复杂、设备投资大、材料消耗和用电大等因素，导致桂太阳电池的价格较高，从而限制了其更大规模的推广和应用。基于染料分子或聚合物的有机物太阳电池正日益受到重视。其最大优势在于制作工艺简单、成本低。目前有机太阳电池的主要问题是其光电转换效率低，提高有机太阳电池的效率成为其推广应用的关键。
造成有机太阳电池效率较低的原因在于有机物材料中的载流子传输。有机半导体材料中的HOMO和LUMO能级没有形成导带和价带，载流子的传输是通过局域能态间的跳跃来完成的，其迁移率要显著小于无机半导体材料。材料中的载流子很难到达电极，从而限制了光电转换效率。此外，有机物在光激发下产生的电子空穴对相互束缚比较强，往往形成激子。而激子通常需要在界面电场的作用下才能解离，这种界面电场通常位于有机物与金属电极的界面处。然而有机物和金属电极的接触面非常有限，只有距离界面不超过激子扩散长度的区域内的激子才能有效到达激子分离界面。所以增大有效的激子解离场所，并提供有效的电子和空穴的输运通道成为提高有机太阳电池光电转换效率的关键。
典型的有机太阳电池是由正电极(anode)、光伏有机物层和负电极(cathode)三个部分构成的三明治结构。正电极材料为类似p型-金属接触的高功函数(high work-function)材料，例如ITO透明导电氧化物。负电极材料为类似n型-金属接触低功函数(low work-function)材料，例如金属铝等。在这一典型结构的基础上，为了提高能量转换效率，人们进一步提出在有机物层与电极之间添加电子传输层和空穴传输层(如图1)。传输层应该具有这样的特性在它们与光伏有机物层的界面处可提供有效的激子解离场所，且电子传输层容易获得激发态的电子并具有良好的电子输运能力，空穴传输层容易获得空穴并具有良好的空穴输运能力。研究表明，传输层的引入往往可以成数量级的提高有机太阳电池的转换效率。福勒烯是目前广泛采用的传输层材料之一。碳纳米管作为富勒烯的一种，是一种极具潜力的传输层材料。同时作为一维导线可以很快的将载流子传输至电极，从而有效的分离激子，提高电池的光电转换效率。
激子的分离效率与激子的分离界面以及电子和空穴的传输路径有关。为了增加激子的分离界面，人们提出了体型异质结(bulk heterojunction)的概念，即电子传输层与空穴传输层相互渗透，增加接触界面。但是随着渗透的增加，电子和空穴的传输路径逐渐变长，从而复合几率增加，导致激子分离效率降低。如果以碳纳米管作为传输层，现有的办法是将碳纳米管与光伏有机物混合。这一方法虽然可以提供足够的激子分离界面，但是碳纳米管作为良好的载流子输运通道的功能却远远没有得到充分利用。因为分散于有机物中的许多碳纳米管并未与电极接触，这些碳纳米管获得的载流子必须通过碳纳米管之间的隧道效应才能到达电极。同时这种分散于有机物中的碳纳米管由于没有确定的取向，导致载流子的输运路径变得曲折。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种有机太阳电池的结构及其采用该结构制备的有机太阳电池，在该有机太阳电池的结构中，利用定向碳纳米管阵列作为空穴传输层，能够提高空穴输运到正极的几率，减短空穴经到正极的传输路径，从而提高太阳电池的效率。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案一种有机太阳电池的结构，至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，其特征在于，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。
采用上述有机太阳电池的结构制备的有机太阳电池，包括一个基板，其特征在于，基板上有一层由连续低功函数材料构成的电池负极，负极上制作有梳指状条形绝缘层，绝缘层上设置平行于基板的碳纳米管，碳纳米管悬空于梳指状绝缘条之间，绝缘条上有由高功函数材料制成的导电条，导电条与绝缘层上的碳纳米管形成良好的欧姆接触，导电条经由基板一端的汇流电极导出而构成电池的正极，光伏特性的有机物层填充于负极表面上碳纳米管之间，将悬空碳纳米管完全包裹，并与基板上的负极形成良好的接触。
本发明所采用的空穴传输层为设置在梳指状电极间的平行碳纳米管，激子在碳纳米管与光伏有机物界面附近能够有效电离。同时碳纳米管均直接与条形电极相连接，激子分离后所生成的空穴能够顺利到达电极，从而提高了太阳电池的光电转换效率。
图1是具有电子传输层和空穴传输层的有机太阳电池的典型结构。
图2是采用平行基板排列的碳纳米管阵列的太阳电池的立体结构示意图。
图3是采用平行基板排列的碳纳米管阵列的太阳电池的剖面结构示意图。
图4是采用平行基板排列的碳纳米管阵具有空穴传输层的太阳能电池的立体结构示意图。
图5是采用平行基板排列的碳纳米管阵列具有空穴传输层的太阳能电池的剖面结构示意图。
上述图中的标号分别表示1、基板，2、负极，3、绝缘层，4、催化剂层，5、梳指状正极，6、正极汇流电极，7、水平定向碳纳米管，8、有机光伏层，9、电子传输层。
为了进一步说明本发明的内容，以下结合附图和发明人给出的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
本发明所提供的一种有机太阳电池的结构，至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。
上述定向碳纳米管阵列为大量沉积在正极上的定向排列的碳纳米管，并与正极形成欧姆接触，碳纳米管碳纳米管是平行于基板的单壁碳纳米管，或者是多壁碳纳米管，或者是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合。
在上述结构的基础上，在负极与光伏有机材料之间还可以添加一层电子传输层。
所述正极的高功函数材料可以为ITO，铂；所述负极的低功函数材料可以为铝，钙，镁，镁/铟；所述的光伏有机材料包括聚合物一类有P3OT，P3HT，poly vinylcarbozole(PVK，聚乙烯咔唑胺)，poly sulphur nitride(聚硫化氮)，polyacetylene(聚乙炔)，polythiophene(聚噻吩)，PPV，MEH-PPV，cyano-PPV；染料分子一类有anthrancene(蒽)，porphyrin(卟啉)，phthalocyanine(酞菁)。
所述光伏有机材料不限于上述材料的一种，也包括它们之间的组合。
所述的基板材料包括陶瓷基片、硅基片、石英基片或玻璃基片；本发明所提供的太阳电池实现方法如下1)在基板上先沉积一层连续的低功函数导电材料作为太阳电池的负极；2)通过常规的薄膜工艺在该负极上沉积一层绝缘层；3)通过常规的薄膜工艺在绝缘层上沉积一层碳纳米管生长催化剂；4)通过常规的薄膜工艺在催化剂层上沉积一层高功函数的导电材料；5)通过常规的光刻工艺，逐层对高功函数导电层、催化剂层和绝缘层进行腐蚀制作出细长的梳指状的绝缘层、催化剂层和高功函数导电层的三层堆垛结构；6)通过化学气相沉积法(CVD)，在相邻的梳指间生长出平行于基板的碳纳米管；7)通过浸渍、旋涂或真空溅射等方式将有机光伏材料填充到负极表面上，并充分包裹梳指间的碳纳米管；或者1)在基板上沉积一层连续的低功函数导电材料作为太阳能电池的负极；2)通过常规的薄膜工艺在该正极上沉积一层绝缘层；3)通过自组装工艺，在绝缘层上沉积一层平行于基板定向排列的碳纳米管；4)在碳纳米管层上沉积一层高功函数的导电材料；5)通过光刻工艺刻蚀出梳指状的金属条，金属条与碳纳米管排列方向垂直；6)通过光刻工艺在梳指状的金属条下进一步刻蚀出梳指状的绝缘层条，露出梳指间的悬空碳纳米管及基板上的负极；7)通过浸渍、旋涂或真空溅射等方式将光伏有机材料填充到负极表面上，并充分包裹梳指间悬空的碳纳米管；本发明所提供的太阳电池如果包含电子传输层时，在上述实现方法中应当添加电子传输层制作步骤。
以下是发明人给出的实施例。
实施例1本实施例采用平行于基板的碳纳米管阵列作为空穴传输层。按照图2所示的结构进行制作。采用Al2O3陶瓷片作为基板1。利用磁控溅射在基板1上淀积一层厚度为0.3微米到1微米的铝(Al)导电负极2。然后用磁控溅射在导电负极2上沉积一层厚度10纳米至10微米的SiO2绝缘层3。然后在绝缘层3上涂敷一层碳纳米管生长催化剂4。然后再沉积一层ITO(氧化铟锡)并采用常规的光刻工艺将金属ITO(氧化铟锡)层光刻成梳指状正极5和正极汇流电极6。梳指状正极5的指宽为100纳米至10微米，指间距为100纳米至1毫米，指长为1微米至1厘米，正极汇流电极6电极宽度为1微米至1毫米。进一步以梳指状电极5和负正极汇流电极6为掩膜，对催化剂层4和绝缘层3分别进行刻蚀。采用化学气相沉积法，在催化剂层的侧面生长出悬空碳纳米管7。碳纳米管生长过程中，在相邻的梳指状电极5之间施加一定电压，维持梳指间0.1v/μm至1v/μm的电场以引导碳纳米管定向生长。然后将P3OT的三氯甲烷溶液旋涂在样品表面，待三氯甲烷溶液蒸发后得到P3OT光伏特性的有机物层9。为了使P3OT能充分填充到悬空碳纳米管7与正极2之间并很好的包敷悬空碳纳米管7，可以将样品浸渍在P3OT的三氯甲烷溶液中一段时间，然后通过旋涂工艺获得均匀的P3OT填充层。负极2和正极汇流电极6最终由基板的两侧引出形成太阳能电池的正极和负极。P3OT光伏有机物9上压盖玻璃作为盖板封装成完整的太阳电池。
实施例2本实施例采用平行于基板的碳纳米管阵列作为空穴传输层。按照图4所示的结构进行制作。采用玻璃作为基板1。利用磁控溅射在基板1上淀积一层厚度为0.3微米到1微米的铝(Al)导电正极2。然后用磁控溅射或化学气相沉积法(CVD)在导电正极2上沉积一层厚度10纳米至10微米的SiO2绝缘层4。采用常规光刻工艺将绝缘层刻蚀成与梳指状电极和汇流电极相对应的图形。再用真空镀膜工艺在铝电极上沉积一层PPV。采用掩膜光刻工艺，去除梳指状绝缘条上覆盖的PPV，露出梳指状绝缘层3，并保证绝缘条高度不低于PPV表面。然后利用的气流吹涂法将分散有碳纳米管的溶液涂敷到露出了梳指状绝缘层的样品PPV表面，气流方向垂直梳指状绝缘层3。待溶液蒸干后既获得垂直梳指状绝缘条排列的水平定向碳纳米管7。然后再沉积一层ITO(氧化铟锡)作为太阳能电池的负极，采用常规的光刻工艺将ITO(氧化铟锡)层光刻成梳指状正极5和正极汇流电极6；梳指状正极5在绝缘层3表面与碳纳米管形成良好的欧姆接触，梳指状负极6覆盖于绝缘层3上。梳指状正极6与梳指状绝缘层3的平面图形参数相近，在典型情况下，两者的图形参数相同。梳指状正极5的指宽为100纳米至10微米，指间距为100纳米至1毫米，指长为1微米至1厘米；正极汇流电极6电极宽度为1微米至1毫米。在光刻出导电正极即梳指状正极5和正极汇流电极6后，在梳指状正极5分布的区域即太阳能电池的光吸收区域，再用真空镀膜工艺沉积一层PPV，其与上一步沉积的PPV共同将碳纳米管7充分包裹，形成光吸收激子产生层的有机光伏层8。负极2和正极汇流电极6最终由基板的两侧引出形成太阳能电池的正极和负极。有机光伏层8上压盖玻璃作为盖板封装成完整的太阳电池。
实施例3本实施例与实施例2的区别在于，在光刻出绝缘层图形之后，用真空镀膜工艺在导电负极2上沉积一层PCBM作为电子传输层9，然后再沉积PPV层。此外，在沉积碳纳米管前，也需要去除梳指状绝缘条上覆盖的PCBM。
如上所述，本发明所采用的空穴传输层为设置在梳指状电极间的平行碳纳米管。激子在碳纳米管与光伏有机物界面附近能够有效电离。同时碳纳米管均直接与条形电极相连接，激子分离后所生成的空穴能够顺利到达电极，从而提高了太阳电池的光电转换效率。
权利要求
1.一种有机太阳电池的结构，至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，其特征在于，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。
2.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的定向碳纳米管阵列为大量沉积在正极上的定向排列的碳纳米管，并与正极形成欧姆接触，碳纳米管碳纳米管是平行于基板的单壁碳纳米管，或者是多壁碳纳米管，或者是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合。
3.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构池，其特征在于，所述的负极材料包括铝、钙、镁或铟元素的合金的至少一种或混合物。
4.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的光伏特性的有机物层填充在所述碳纳米管阵列的间隙中并充分包裹碳纳米管。
5.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的正极的材料选择氧化铟锡。
6.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的光伏特性的有机物层与正极相接触。
7.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的光伏特性的有机物层与负极之间还夹有一层电子传输层。
8.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的光伏特性的有机物层是染料分子或具有光伏特性的聚合物。
9.如权利要求8所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的染料分子为蒽、卟啉或酞菁，或它们中的两种或多种的组合；所述的具有光伏特性的聚合物是pvk、聚硫化氮、聚乙炔、聚噻吩、PPV、MEH-PPV、cyano-PPV其中一种或两种或多种组合。
10.采用权利要求1所述的有机太阳电池的结构制备的有机太阳电池，包括一个基板，其特征在于，基板上有一层由连续低功函数材料构成的电池负极，负极上制作有梳指状条形绝缘层，绝缘层上设置平行于基板的碳纳米管，碳纳米管悬空于梳指状绝缘条之间，绝缘条上有由高功函数材料制成的导电条，导电条与绝缘层上的碳纳米管形成良好的欧姆接触，导电条经由基板一端的汇流电极导出而构成电池的正极，光伏特性的有机物层填充于负极表面上碳纳米管之间，将悬空碳纳米管完全包裹，并与基板上的负极形成良好的接触。
全文摘要
本发明公开了一种有机太阳电池的结构及其采用该结构制备的有机太阳电池，该有机太阳电池的结构至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。本发明采用定向碳纳米管沉积于太阳电池的正电极，并与正电极形成良好的欧姆接触。定向碳纳米管阵列平行于基板，且碳纳米管相互平行，少缠绕。有机太阳电池中的光伏特性的有机物层填充在碳纳米管阵列的间隙中，并对碳纳米管形成良好的包敷。由于碳纳米管阵列提供了最大化的激子分离界面，并且定向排列的碳纳米管阵列显著降低了电子输运路径，从而降低光生载流子的复合机率，提高太阳能电池的光能转换效率。
文档编号H01L51/48GK1933210SQ200610043110
公开日2007年3月21日 申请日期2006年7月6日 优先权日2006年7月6日
发明者刘卫华, 曹猛, 易文辉 申请人:西安交通大学