专利名称：一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种平面-本体异质结集成结构太阳
能电池及其制备方法。
背景技术：
为了最大限度的利用太阳光的整个光谱范围，最近提出了用窄带隙的半导体纳 米晶量子点(如CdSe、 PbS、 PbSe)来敏化共轭聚合物的有机/无机杂化太阳能电池的结 构，该结构中在大于650nm的长波长方向表现出增强的光吸收性能(1 : S.A.Mcdonald， G.Konstantatos， S.Zhang， P.W.Cyr， E丄D.Klem， L丄evina， and E.H.Sargent， Nature Mater.2005， 4， 138 ; 2 : D.Cui， J.Xu， T.Zhu， G.Paradee， and S.Ashok， Appl.Phys. Lett.2006， 88， 183111)。同时，有机/无机杂化太阳能电池具有制备工艺简单、重量 轻、造价低廉、容易制备大面积柔性器件等优点而得到广泛的关注(l : W.U.Huynh， J丄Dittmer， and A.P.Alivisotos， Science 2002， 295， 2425; 2: X.Jiang， R.D.Schaller， S.B丄ee， J.M.Pietryga， V丄Klimov， and A.A.Zakhidov， J.Mater.Res.2007， 22， 2204;
3 : D.Qi， M.Fischbein， M.Drndic， and S.Selmic， Appl.Phys丄ett.2005， 86， 093103 ;
4 : S.Kumar and G.D.Scholes， Microchim.Acta 2008， 160， 315 ; 5 : G.Konstantatos,
1. Howard， A.Fischer， S.Hoogland， J.Clifford, E.Klem， L丄evina， and E.H.Sargent, Nature 2006， 442， 180)。几乎所有的有机/无机杂化太阳能电池结构应用的都是本体 异质结结构，这是由于在本体异质结结构中共轭聚合物中的光生激子能够有效的在给受 体界面分离，有很高的光生载流子效率。然而，研究表明在共轭聚合物/半导体纳米 晶共混而成的本体异质结中，空穴和电子在复合前的迁移距离要小于在纯聚合物中的 足巨离(1 : W.U.Huynh， J丄Dittmer， N.Teclemariam， D丄Milliron， A.P.Alivisatos， and K.W丄Bamham， Phys.Rev.B 2003， 67， 115326)。如果能用溶液加工的方法将平面异质结 和本体异质结集成在一起，不仅能够改善载流子的传输和收集效率，而且能够进一步充 分利用太阳光全光谱。
发明内容
本发明的目的是提供一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池及其制备方法。
—种平面-本体异质结集成结构太阳能电池，包括依次层叠的玻璃衬底l、阳极
2、 阳极修饰层3、光电活化层4、阴极5，其特征在于在阳极修饰层3和光电活化层4之 间设有共轭聚合物电子给体材料层6，所述共轭聚合物电子给体材料层厚度为2-30nm。
所述共轭聚合物电子给体材料选自聚对亚苯基亚乙烯类、聚亚芳基亚乙烯基 类、聚对亚苯基类、聚亚芳基类、聚噻吩类、聚喹啉类。 所述光电活化层4为共轭聚合物电子给体材料与半导体纳米晶电子受体材料混 合而成的光电活化层，其中，所述共轭聚合物电子给体材料选自聚(对亚苯基亚乙烯) 类、聚(亚芳基亚乙烯基)类、聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉
3类，所述半导体纳米晶电子受体材料是从III-V族、II-VI族和IV-VI族化合物半导体的组
中选取的。 所述阴极包括碱金属、碱土金属、铝、银、铜、或者上述金属组成的合金。
—种平面-本体异质结集成结构太阳能电池的制备方法，其特征在于该方法步骤 如下 (1)超声清洗溅射有ITO阳极的透明导电玻璃，然后用臭氧处理基片表面；
(2)再旋转涂上30纳米厚的PEDOT:PSS作为阳极修饰薄膜，干燥；
(3)将共轭聚合物电子给体材料溶于溶剂中，用旋转涂膜或喷墨打印的方法将其 涂覆在上述经阳极修饰的基片上，80-25(TC下干燥10-48min，自然冷却至室温，形成厚 度为2-30nm的共轭聚合物电子给体材料层； (4)将共轭聚合物电子给体材料与半导体纳米晶电子受体材料与溶剂混合，将形 成的混合溶液用旋转涂膜或喷墨打印的方法直接涂覆在共轭聚合物电子给体材料层上， 干燥后自然冷却至室温，形成光电活化层； (5)通过掩模板直接在光电活化层上真空蒸镀金属形成阴极，得到共轭聚合物/
半导体纳米晶平面-本体异质结集成结构太阳能电池。 所述步骤(3)中旋转涂膜时转速为1000-3000转每分。 本发明的有益效果为 1.该方法能通过旋转涂膜或喷墨打印的方法直接涂敷将共轭聚合物/半导体纳米 晶光电活性层直接涂覆在下层共轭聚合物上； 2.在旋涂或喷墨打印上层共轭聚合物/半导体纳米晶光电活性层时对下层共轭聚 合物没有任何破坏； 3.该方法工艺简单，成本低廉，膜厚容易控制，适合于大规模工业化生产；
4.该方法中的共轭聚合物层需较高温度干燥，干燥温度可以从80到250摄氏 度，干燥时间可以从10分钟到48小时； 5.以该集成结构制备的共轭聚合物/半导体纳米晶太阳能电池具有优于传统本体 异质结结构器件的光电能量转换效率。
图l是太阳能电池的器件结构，其中，(a)为本体异质结太阳能电池，(b)为本发
明的平面-本体异质结集成结构共轭聚合物/半导体纳米晶太阳能电池； 图2是太阳能电池的断面扫描电镜图，其中，(a)为本体异质结太阳能电池，(b)
为本发明的平面-本体异质结集成结构共轭聚合物/半导体纳米晶太阳能电池； 图3是实施例1制备的本体异质结和平面-本体异质结集成结构(1000rpm制备
P3HT)太阳能电池和对比例制备的本体异质结结构太阳能电池在100mW/cm2的532nm光
照下的I-V曲线； 图4是实施例1制备的本体异质结和平面-本体异质结集成结构(1000rpm制备 P3HT)太阳能电池和对比例制备的本体异质结结构太阳能电池在100mW/cm2的808nm光 照下的I-V曲线； 图5是实施例2制备的本体异质结和平面-本体异质结集成结构(2000rpm制备P3HT)太阳能电池和对比例制备的本体异质结结构太阳能电池在100mW/cm2的532nm光 照下的I-V曲线； 图6是实施例2制备的本体异质结和平面-本体异质结集成结构(2000rpm制备 P3HT)太阳能电池和对比例制备的本体异质结结构太阳能电池在100mW/cm2的808nm光 照下的I-V曲线； 图7是实施例3制备的本体异质结和平面-本体异质结集成结构(3000rpm制备 P3HT)太阳能电池和对比例制备的本体异质结结构太阳能电池在100mW/cm2的532nm光 照下的I-V曲线； 图8是实施例3制备的本体异质结和平面-本体异质结集成结构(3000rpm制备 P3HT)太阳能电池和对比例制备的本体异质结结构太阳能电池在100mW/cm2的808nm光 照下的I-V曲线； 图中标号1-玻璃衬底；2-阳极；3-阳极修饰层；4-光电活化层；5-阴极；6
共轭聚合物电子给体材料层。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明 本体异质结结构太阳能电池如图l(a)所示，包括依次层叠的玻璃衬底l、阳极 2、阳极修饰层3、光电活化层4、阴极5，本发明平面-本体异质结集成结构太阳能电 池，如图l(b)所示，包括依次层叠的玻璃衬底l、阳极2、阳极修饰层3、光电活化层4、 阴极5，并且在阳极修饰层3和光电活化层4之间设有共轭聚合物电子给体材料层6，所 述共轭聚合物电子给体材料层厚度为2-30nm。
对比例传统本体异质结结构太阳能电池 将溅射有ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇 超声清洗，然后用臭氧处理基片表面，再旋转涂上30纳米厚的PEDOT:PSS作为阳极修饰 薄膜，15(TC干燥10分钟，将P3HT与PbSe溶于氯苯溶液得到的混合溶液(每毫升氯苯溶 液中含10毫克P3HT，含50毫克PbSe)在1000转每分(rpm)的转速下直接旋涂于上述经 阳极修饰的基片上，然后8(TC干燥30分钟，自然冷却至室温，形成厚度为50nm的光电 活性层；最后，通过掩模板在5X10-5帕下真空蒸镀150纳米的铝作阴极，得到本体异质 结结构太阳能电池，器件结构如图l(a)所示。 以下实施例中做对比的本体异质结结构太阳能电池均为本对比例中制备的太阳 能电池，从图中可以看出，传统的本体异质结结构太阳能电池在100毫瓦每平方厘米的 532nm光照射下开路电压为0.28伏，短路电流为0.9毫安每平方厘米，填充因子为0.39， 转换效率为0.1%，在100毫瓦每平方厘米的808nm光照射下开路电压为0.25伏，短路电 流为1.1毫安每平方厘米，填充因子为0.36，转换效率为0.1%。
实施例1 将溅射有ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇 超声清洗，然后用臭氧处理基片表面，再旋转涂上30纳米厚的PEDOT:PSS作为阳极修 饰薄膜，15(TC干燥10分钟，将10毫克每毫升的P3HT氯苯溶液(每毫升氯苯溶液中含 10毫克P3HT)在1000转每分(rpm)的转速下直接旋涂于上述经阳极修饰的基片上，然后
515(TC干燥30分钟，自然冷却至室温，形成厚度为20nm的共轭聚合物电子给体材料层， 将P3HT与PbSe溶于氯苯溶液得到的混合溶液(每毫升氯苯溶液中含10毫克P3HT，含 50毫克PbSe)在1000转每分(rpm)的转速下直接旋涂于P3HT膜上，然后8(TC干燥30分 钟，自然冷却至室温，形成厚度为50nm的光电活性层；最后，通过掩模板在5X10-5帕 下真空蒸镀150纳米的铝作为阴极，得到共轭聚合物/半导体纳米晶平面-本体异质结集 成结构太阳能电池，器件结构如图l(b)所示。 图2所示的断面扫描电镜照片清晰的反映出上层的P3HT:PbSe混合膜未对下层 P3HT造成任何破坏。 图3、图4表示出了本实施例制得的平面-本体异质结集成结构太阳能电池经 100毫瓦每平方厘米的53211111和80811111照射下的电流-电压曲线，从图中可以看出，本 实施例制得的平面-本体异质结集成结构太阳能电池在100毫瓦每平方厘米的532nm光照 射下开路电压为0.39伏，短路电流为0.94毫安每平方厘米，填充因子为0.35，转换效率 为0.13%，器件性能比传统本体异质结结构转换效率提高了33% ;在100毫瓦每平方厘 米的808nm光照射下开路电压为0.36伏，短路电流为1.36毫安每平方厘米，填充因子为 0.33，转换效率为0.16%，器件性能比传统本体异质结结构转换效率提高了60%。
实施例2 将溅射有ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇 超声清洗，然后用臭氧处理基片表面，再旋转涂上30纳米厚的PEDOT:PSS作为阳极修 饰薄膜，15(TC干燥10分钟，将10毫克每毫升的P3HT氯苯溶液(每毫升氯苯溶液中含 10毫克P3HT)在2000转每分(rpm)的转速下直接旋涂于上述经阳极修饰的基片上，然后 15(TC干燥30分钟，自然冷却至室温，形成厚度为15nm的共轭聚合物电子给体材料层， 将P3HT与PbSe溶于氯苯溶液得到的混合溶液(每毫升氯苯溶液中含10毫克P3HT，含 50毫克PbSe)在1000转每分(rpm)的转速下直接旋涂于P3HT膜上，然后8(TC干燥30分 钟，自然冷却至室温，形成厚度为50nm的光电活性层；最后，通过掩模板在5X10-5帕 下真空蒸镀150纳米的铝作为阴极，得到共轭聚合物/半导体纳米晶平面-本体异质结集 成结构太阳能电池，器件结构如图l(b)所示。 图5、图6表示出了本实施例制得的平面-本体异质结集成结构太阳能电池经100 毫瓦每平方厘米的53211111和80811111照射下的电流-电压曲线，从图中可以看出，本实施 例制得的平面-本体异质结集成结构太阳能电池在100毫瓦每平方厘米的532nm光照射 下开路电压为0.35伏，短路电流为1.35毫安每平方厘米，填充因子为0.44，转换效率为 0.21%，器件性能比传统本体异质结结构转换效率提高了 110% ;在100毫瓦每平方厘米 的808nm光照射下开路电压为0.38伏，短路电流为1.73毫安每平方厘米，填充因子为 0.40，转换效率为0.26%，器件性能比传统本体异质结结构转换效率提高了 160%。
实施例3 将溅射有ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇 超声清洗，然后用臭氧处理基片表面，再旋转涂上30纳米厚的PEDOT:PSS作为阳极修 饰薄膜，15(TC干燥10分钟，将10毫克每毫升的P3HT氯苯溶液(每毫升氯苯溶液中含 10毫克P3HT)在3000转每分(rpm)的转速下直接旋涂于上述经阳极修饰的基片上，然后 15(TC干燥30分钟，自然冷却至室温，形成厚度为10nm的共轭聚合物电子给体材料层，将P3HT与PbSe溶于氯苯溶液得到的混合溶液(每毫升氯苯溶液中含10毫克P3HT，含 50毫克PbSe)在1000转每分(rpm)的转速下直接旋涂于P3HT膜上，然后8(TC干燥30分 钟，自然冷却至室温，形成厚度为50nm的光电活性层；最后，通过掩模板在5X10-5帕 下真空蒸镀150纳米的铝作为阴极，得到共轭聚合物/半导体纳米晶平面-本体异质结集 成结构太阳能电池，器件结构如图l(b)所示。 图7、图8表示出了本实施例制得的平面-本体异质结集成结构太阳能电池经 100毫瓦每平方厘米的53211111和80811111照射下的电流-电压曲线，从图中可以看出，本 实施例制得的平面-本体异质结集成结构太阳能电池在100毫瓦每平方厘米的532nm光照 射下开路电压为0.38伏，短路电流为1.12毫安每平方厘米，填充因子为0.38，转换效率 为0.16%，器件性能比传统本体异质结结构转换效率提高了60% ;在100毫瓦每平方厘 米的808nm光照射下开路电压为0.36伏，短路电流为1.57毫安每平方厘米，填充因子为 0.36，转换效率为0.20%，器件性能比传统本体异质结结构转换效率提高了 100%。
以上实施例表明，平面-本体异质结集成结构能够有效的提高器件的性能。该 结构不仅提高开路电压，增大短路电流，同时也提高了填充因子，进而增加了太阳能电 池的光电转换效率。其廉价的成本、简单的工艺和其卓越的性能使其在工业上具有很大 的应用前景。
权利要求
一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池，包括依次层叠的玻璃衬底(1)、阳极(2)、阳极修饰层(3)、光电活化层(4)、阴极(5)，其特征在于在阳极修饰层(3)和光电活化层(4)之间设有共轭聚合物电子给体材料层(6)，所述共轭聚合物电子给体材料层厚度为2-30nm。
2. 根据权利要求1所述的一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池，其特征在于所述共轭聚合物电子给体材料选自聚(对亚苯基亚乙烯)类、聚(亚芳基亚乙烯基)类、 聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类。
3. 根据权利要求1所述的一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池，其特征在于所 述光电活化层(4)为共轭聚合物电子给体材料与半导体纳米晶电子受体材料混合而成的光电活化层，其中，所述共轭聚合物电子给体材料选自聚(对亚苯基亚乙烯)类、聚(亚 芳基亚乙烯基)类、聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类，所述半导体纳米晶电子受体材料是从III-V族、IIVI族和IV-VI族化合物半导体的组中选取的。
4. 根据权利要求1所述的一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池，其特征在于所 述阴极包括碱金属、碱土金属、铝、银、铜、或者上述金属组成的合金。
5. —种平面-本体异质结集成结构太阳能电池的制备方法，其特征在于该方法步骤如下(1) 超声清洗溅射有ITO阳极的透明导电玻璃，然后用臭氧处理基片表面；(2) 再旋转涂上30纳米厚的PEDOT:PSS作为阳极修饰薄膜，干燥；(3) 将共轭聚合物电子给体材料溶于溶剂中，用旋转涂膜或喷墨打印的方法将其涂覆 在上述经阳极修饰的基片上，80-25(TC下干燥10-48min，自然冷却至室温，形成厚度为 2-30nm的共轭聚合物电子给体材料层；(4) 将共轭聚合物电子给体材料与半导体纳米晶电子受体材料与溶剂混合，将形成的 混合溶液用旋转涂膜或喷墨打印的方法直接涂覆在共轭聚合物电子给体材料层上，干燥 后自然冷却至室温，形成光电活化层；(5) 通过掩模板直接在光电活化层上真空蒸镀金属形成阴极，得到共轭聚合物/半导 体纳米晶平面-本体异质结集成结构太阳能电池。
6. 根据权利要求5所述的一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池的制备方法，其 特征在于所述步骤(3)中旋转涂膜时转速为1000-3000转每分。
全文摘要
本发明公开了属于太阳能电池技术领域的一种平面-本体异质结集成结构太阳能电池及其制备方法。本发明太阳能电池包括依次层叠的玻璃衬底、阳极、阳极修饰层、光电活化层、阴极，其特征在于在阳极修饰层和光电活化层之间设有厚度为2-30nm的共轭聚合物电子给体材料层，用旋转涂膜或喷墨打印的方法制备共轭聚合物电子给体材料涂层和共轭聚合物电子给体材料与半导体纳米晶电子受体材料混合而成的光电活化层。本发明兼备平面结构和本体异质结结构电池的优点，具有制作工艺简单、控制容易，重现性好，可溶液加工等多种优点，同时使用该结构的太阳能电池较普通本体异质结结构的能量转换效率有显著提高。
文档编号H01L51/46GK101692481SQ20091009353
公开日2010年4月7日 申请日期2009年10月12日 优先权日2009年10月12日
发明者杨勇平, 谭占鳌 申请人:华北电力大学