专利名称：一种自聚光的聚合物太阳能电池的制作方法
一种自聚光的聚合物太阳能电池技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及聚合物太阳能电池。
技术背景
能源问题一直是影响人类生存和发展的热点问题。随着经济规模扩大，能源需求 不断飙升，传统化石能源耗费巨大。化石能源是不可再生资源，而且人类过量使用化石能源 必将引发严重的环保问题。因此，开发无污染和可再生的新能源是人类迫在眉睫的任务。太 阳能是一种清洁，高效和永不衰竭的新能源，必将是人类未来发展所依赖的重要新能源。
太阳能电池的应用始于上世纪中期的航天事业发展。发展至今，可以划分为三代， 第一代太阳能电池以单晶或多晶硅为材料，第二代太阳能电池则以化合物(如砷化镓)为 主，第三代太阳能电池包括染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池。目前第一代硅材料 太阳能电池仍然占据主导地位。市面上最常见的是晶体硅太阳能电池，其工业化产品的效 率一般为13% -15%。由于生产工艺复杂，前两代太阳能电池生产成本较高，使得其推广受 到很大制约。
近年来聚合物太阳能电池由于其潜在的价格优势吸引了广泛的关注。与硅太阳能 电池相比，聚合物太阳能电池制作工艺简单，可以制作在柔性衬底上，携带方便，是未来太 阳能电池的发展方向之一。
目前，太阳能电池普遍使用特定的聚光系统来提高电池的能量转化效率。聚光系 统可以提高电池收集太阳光的范围，增加电池的利用率，减少了电池原材料的花费，从而降 低了电池的成本。由于无机太阳能电池的价格高，重量较大，弹性较差。故实际应用中硅基 太阳能电池的聚光系统往往结构复杂，聚光效率高。缺点是这类聚光系统一般体积较大，不 易移动。
聚合物太阳能电池的发展方向是柔性易携带的太阳能电池，所以如果直接将现有 的体积较大，不易移动的聚光系统应用于聚合物太阳能电池上必定不太合适。发明内容
本发明提供了一种自聚光的聚合物太阳能电池，其衬底中集成了聚光结构，从而 降低了其功能层的体积，减少了电池的整体成本，有利于推进该电池的实用化。
一种聚合物太阳能电池，包括衬底和若干个电池单元，所述的电池单元由柔性封 装层包覆电池主体构成，所述的电池主体由在衬底上依次形成的透明阳极薄膜层、阳极缓 冲层、聚合物光电转换层和阴极薄膜层构成；其中，
所述的衬底由若干个衬底单元构成，所述的每个衬底单元与一个电池单元相连；
所述的每个衬底单元为由多层亚毫米光学元件组成的具有聚光作用的胶合透镜 结构，所述的各层亚毫米光学元件依次为菲涅尔透镜、第一平凸透镜、凹透镜和第二平凸透 镜；
其中，所述的第一平凸透镜的前表面为平面，后表面为球面；所述的第二平凸透镜的前表面为球面，后表面为平面；所述的凹透镜的前表面的球面曲率半径与第一平凸透镜 后表面的球面曲率半径相同，所述的第二平凸透镜的前表面的球面曲率半径与凹透镜的后 表面的球面曲率半径相同。
所述的衬底的厚度0. 5 1. 5毫米。该电池的衬底具有聚光功能。
由若干个衬底单元组成的衬底中，每个衬底单元由多层不同功能的透明塑料光学 元件构成，以便于实现较高的光学透过率，可以用热固法或者热塑法在模具中直接成型得 到。衬底单元中各层光学元件的材料为各种具有较高的光学透过率的材料，如聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)，聚苯乙烯(PS)，聚碳酸脂(PC)，苯乙烯丙烯腈，苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共 聚物，聚4-甲基-1-戊烯，透明聚酰胺等等。
可选地，所述的菲涅尔透镜采用折射率范围为1. 35 1. 50的材料制得，优选采用 聚4-甲基-1-戊烯，其折射率约1.45，具有优异的耐热性、耐沸水蒸煮性、透明性及无毒等 特性，适合作为最外层材料。
可选地，所述的菲涅尔透镜的焦距范围为2 6毫米，厚度0. 1 0. 4毫米。
可选地，所述的第一平凸透镜采用折射率为1. 40 1. 60的材料制得，优选采用聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其折射率约1.49，具有较好的透光性和抗压力性，适合用作缓冲层。
可选地，所述的第一平凸透镜的后表面的球面曲率半径至少20毫米，优选20 100毫米；所述的第一平凸透镜的厚度0. 3 1. 2毫米，优选0. 4 0. 7毫米。
可选地，所述的凹透镜采用折射率为1. 48 1. 70的材料制得，优选采用聚酰胺 (PA，即透明尼龙)，其折射率约1. 52，折射率较高，有利于提高衬底通光量。
可选地，所述的凹透镜的后表面的球面曲率半径至少25毫米，优选25 200毫 米，所述的凹透镜的中心厚度为0. 1 1.2毫米，优选0. 1 0.3毫米。
可选地，所述的第二平凸透镜采用折射率为1. 5 2. 0的材料制得，优选采用聚苯 乙烯(PS)，其折射率约1.59，具有良好的绝缘绝热和透明性，适合作为与太阳能电池接触 的衬底表面材料。
所述的各层亚毫米光学元件可由模具分别制作得到，采用塑料工艺中的热塑法或 热固法成型，多层亚毫米光学元件通过胶合形成整体衬底。
所述的聚合物太阳能电池的电池主体(包括电极部分和功能层部分)制作于衬底 之上，其中，电极(透明阳极薄膜层和阴极薄膜层)采用常规的磁控溅射或者热蒸发的方法 制备，电极缓冲层(阳极缓冲层)采用溶液旋涂法制作，功能层(聚合物光电转换层)采用 溶液法旋涂印刷或流涎法制备。电池主体外侧包裹的柔性封装层，由压膜方法制备。
本发明的聚合物太阳能电池通过聚光功能的衬底，能够将入射到表面的光聚焦到 一定范围内，提高聚合物太阳能电池内部光强度，改善聚合物太阳能电池的光电转化效率， 应用在聚合物太阳能电池中，可以制作出自聚光的柔性聚合物太阳能，相比于外加聚光系 统，便携性大大提高，从而有效地改善其实用化水平。
本发明中，聚合物太阳能电池的电极和功能层薄膜直接制作在衬底上，衬底通过 聚光作用将光线聚拢减少聚合物太阳能电池主体的面积，从而提高利用率，节省成本。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果
该发明的实质是带有聚光系统的柔性聚合物太阳能电池，其原理是利用小面积短焦距的胶合透镜结构作为电池衬底的结构，再在该衬底上制作聚合物太阳能电池，这就使 得聚合物太阳能电池不必采用现有的体积庞大的聚光系统，不会影响柔性聚合太阳能的携 带；衬底通过聚光作用将光线聚拢从而增大聚合物太阳能电池单位面积的能量转化效率， 从而提高利用率，节省成本；衬底结构简单、材料易得，成本低，适合规模化的产业生产。
图1为本发明聚合物太阳能电池的俯视图。
图2为本发明聚合物太阳能电池的侧面视图。
图3为本发明中单个独立单元俯视图。
图4为本发明中单个独立单元剖视图。
图5为本发明中单个独立单元和单个电池单元中各元件分离示意图。
图6为本发明聚合物太阳能电池的入射表面光场分布模拟图。
图7为本发明聚合物太阳能电池的衬底的通光效率模拟图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1和图2所示的一种自聚光的聚合物太阳能电池，包括衬底13和若干个电池 单元12。衬底13由若干个衬底单元11构成，每个衬底单元11与一个电池单元12相连，构 成一个独立单元1。
如图3 5所示，每个独立单元1依次由菲涅尔透镜2、第一平凸透镜3、凹透镜4、 第二平凸透镜5、透明阳极薄膜层6、阳极缓冲层7、聚合物光电转换层8、阴极薄膜层9和柔 性封装层10构成。
菲涅尔透镜2、第一平凸透镜3、凹透镜4和第二平凸透镜5，一共4层，构成具有聚 光作用的胶合透镜结构，为一个衬底单元11。
在每个衬底单元11上依次形成的透明阳极薄膜层6、阳极缓冲层7、聚合物光电转 换层8和阴极薄膜层9构成电池主体，柔性封装层10包覆电池主体构成每个电池单元12。
菲涅尔透镜2，材料为聚4-甲基-1-戊烯(Poly (4-methyl-l-pentene))，该材料 具有优异的耐热性、耐沸水蒸煮性、透明性及无毒等特性，适合作为最外层材料。菲涅尔透 镜2的物方焦距无穷远，像方焦距为4毫米，螺纹数目为20，通光孔径为5毫米，整体厚度约 0.25毫米。菲涅尔透镜2可用模具热固成型。
第一平凸透镜3，材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，该材料有较好的透光性，和抗 压力性，可用作缓冲层。第一平凸透镜3的通光孔径为5毫米，前表面为平面，后表面的球 面曲率半径为25毫米，中心厚度为0. 5毫米。第一平凸透镜3可采取热塑成型，再与菲涅 尔透镜2胶合在一起。
凹透镜4，材料为聚酰胺(PA)，即透明尼龙，该材料折射率较高，有利于提高衬底 通光量。凹透镜4的通光孔径为5毫米，前表面的球面曲率半径为25毫米，后表面的球面 曲率半径为30毫米，中心厚度为0. 1毫米。凹透镜4可采取热塑成型，再与第一平凸透镜 3胶合在一起。
第二平凸透镜5，材料为聚苯乙烯(PS)，该材料具有良好的绝缘绝热和透明性，适合作为与太阳能电池接触的衬底表面材料。第二平凸透镜5的通光孔径为5毫米，前表面 的球面曲率半径为30毫米，后表面为平面，中心厚度为0. 4毫米。第二平凸透镜5采取热 塑成型，再与凹透镜4胶合在一起。
由菲涅尔透镜2、第一平凸透镜3、凹透镜4和第二平凸透镜5构成的聚光衬底的 整体厚度约为1.25毫米。
透明阳极薄膜层6，该薄膜要求材料在可见光波段有良好的透射率，导电性能优 异。该层由磁控溅射或热蒸发方式制作，透明阳极薄膜6的形状与面积依据衬底后表面投 射光分布决定，该实例中6与菲涅耳透镜2同圆心，半径为3毫米的圆。
阳极缓冲层7，该层要求材料须在可见光波段有良好的透射率，且可以改善聚合物 光电转换层8与透明阳极薄膜6之间的能级匹配关系。该层形状与面积与透明阳极薄膜6 相同。
聚合物光电转换层8，材料为有机半导体共混体异质结，形状与面积与透明阳极薄 膜6相同。采用溶液法旋涂印刷或流涎法制备。
阴极薄膜层9，该材料要求导电性良好，形状与面积和透明阳极薄膜6相同。该层 由磁控溅射或热蒸发方式制作。
上述透明阳极薄膜层6、阳极缓冲层7、聚合物光电转换层8和阴极薄膜层9构成 电池主体，为电池能量转化的主要结构。上述各层厚度根据材料的不同而不同，电池主体整 体厚度小于1微米。
柔性封装层10，采用该封装层10将电池主体整体包覆住，采用压膜方法制作。主 要作用是阻隔空气中的水和氧气等对电池有害的气体和金属粉末等一些对器件造成影响 的粉尘。
图6为用光线追迹的方法获得的聚合物太阳能电池的入射表面光场分布模拟图， 追迹的光线数目约2万5千条，图6上外圈的虚线圆为每个单元最外层的圆入射面，直径约 为10毫米。图中白色区域为光线主要分布区的区域，黑色区域为无光线区域或光线较弱的 区域。图6可以看到表面的光线被聚焦到了直径不到6毫米的圆内，按面积大小换算后，光 场总强度是不聚光时光场强度的200%左右。
图7为采用光线追迹法获得的通过上述聚合物太阳能电池的衬底的光强的模拟 图，追迹了约2万5千条光线，横坐标为光线入射角度，纵坐标为对应入射角度的光线的数 目。根据模拟所得到的结果，衬底总通光效率约为80%，考虑到塑料材料的透光特性，该结 果已能满足要求。再加上简易增透膜后，效率更高。
权利要求
1.一种聚合物太阳能电池，包括衬底和若干个电池单元，所述的电池单元由柔性封装 层包覆电池主体构成，所述的电池主体由在衬底上依次形成的透明阳极薄膜层、阳极缓冲 层、聚合物光电转换层和阴极薄膜层构成；其特征在于所述的衬底由若干个衬底单元构成，所述的每个衬底单元与一个电池单元相连；所述的每个衬底单元为由多层亚毫米光学元件组成的具有聚光作用的胶合透镜结构， 所述的各层亚毫米光学元件依次为菲涅尔透镜、第一平凸透镜、凹透镜和第二平凸透镜；其中，所述的第一平凸透镜的前表面为平面，后表面为球面；所述的第二平凸透镜的前 表面为球面，后表面为平面；所述的凹透镜的前表面的球面曲率半径与第一平凸透镜后表 面的球面曲率半径相同，所述的第二平凸透镜的前表面的球面曲率半径与凹透镜的后表面 的球面曲率半径相同。
2.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的衬底的厚度为0.5 1. 5毫米。
3.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的菲涅尔透镜采用折射 率范围为1. 35 1. 50的材料制得。
4.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的菲涅尔透镜的焦距范 围为2 6毫米，厚度0. 1 0. 4毫米。
5.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的第一平凸透镜采用折 射率为1. 40 1. 60的材料制得。
6.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的第一平凸透镜的后表 面的球面曲率半径至少20毫米；所述的第一平凸透镜的厚度0. 3 1. 2毫米。
7.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的凹透镜采用折射率为 1. 48 1. 70的材料制得。
8.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的凹透镜的后表面的球 面曲率半径至少25毫米，所述的凹透镜的中心厚度为0. 1 1. 2毫米。
9.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述的第二平凸透镜采用折 射率为1.5 2.0的材料制得。
全文摘要
本发明公开了一种自聚光的聚合物太阳能电池，包括衬底和若干个电池单元，衬底由若干个衬底单元构成，每个衬底单元与一个电池单元相连；每个衬底单元由菲涅尔透镜、前表面为平面后表面为球面的第一平凸透镜、凹透镜和前表面为球面后表面为平面的第二平凸透镜依次构成；凹透镜的前表面的球面曲率半径与第一平凸透镜后表面的球面曲率半径相同，第二平凸透镜的前表面的球面曲率半径与凹透镜的后表面的球面曲率半径相同。本发明聚合物太阳能电池采用聚光系统一体化的衬底，提高了电池内部光强度，改善电池的光电转化效率，并减少电池功能和电极所需要的面积大小，不会影响柔性电池的便携性，从而大大改善其实用化水平。
文档编号H01L51/42GK102034932SQ20101052204
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者刘旭, 李国龙, 李衎, 甄红宇, 黄卓寅 申请人:浙江大学