专利名称：太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域，且特别涉及一种具有高的光电流的太阳能电池。
背景技术：
太阳能电池(solar cells或photovoltaic cells,简称PV)是一种能量转换的光电装置，它是经由太阳光照射后，将光的能量转换成电能。太阳能电池可以用来提供照明、加热、或是各种电子产品与交通工具的电源供应。由于太阳能电池在使用中不会释放包括二氧化碳在内的任何气体，这可改善生态环境、解决地球温室效应的问题；此外，由于太阳光是取之不尽，用之不竭的天然能源，除了没有能源耗尽的疑虑之外，还可以避免能源被垄断的问题，因此各国莫不积极地发展太阳能源的应用科技，期望通过增加太阳能源的利用来减低对化石能源的依赖。传统的太阳能电池是由无机材料所构成，例如单晶硅、多晶硅、非晶硅、或GaAs、CdTe等各种化合物半导体材料。目前商业上的太阳能电池以单晶硅与多晶硅为主，而且有些太阳能电池已经达到23%以上的转换效率。然而，使用单晶硅的太阳能电池由于结晶上的困难且成本太高，不容易大面积化。新一代的太阳能电池是以有机材料做成，具有柔性、易于大面积化、制程简单且低耗能、低成本等优势，但由于能量转换效率太低，一般在5%以下，成为实际应用的最大障碍，因而如何有效提高能量转换效率，成为有机太阳能电池开发的重要课题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题在于提供一种具有高光电流的有机太阳能电池，以提高太阳能电池的光电转换效率。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的一种太阳能电池，包括第一电极；第二电极；光活性层，介于所述第一电极与第二电极之间；以及空穴注入层，介于所述第一电极与第二电极之间，所述空穴注入层中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料。优选的，在上述的太阳能电池中，所述空穴注入层中还包含PED0T。优选的，在上述的太阳能电池中，所述金属纳米颗粒选自Au、Ag、Cu、Pt、Co、Ni、Fe中的一种或多种的合金。本发明申请还公开了一种太阳能电池，包括第一电极；第二电极；
光活性层，介于所述第一电极与第二电极之间；电子传输层，介于所述光活性层与所述第一电极和第二电极中至少一个电极之间；以及
空穴注入层，介于所述第一电极与第二电极之间，所述空穴注入层中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料。优选的，在上述的太阳能电池中，所述空穴注入层中还包含PED0T。优选的，在上述的太阳能电池中，所述金属纳米颗粒选自Au、Ag、Cu、Pt、Co、Ni、Fe中的一种或多种的合金。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点通过引入金属纳米颗粒并利用其表面等离子体局域增强的效应，有效的增加了对于入射光的吸收效率，同时利用氧化石墨烯作为模板装载金属纳米颗粒可以有效地避免金属纳米颗粒在溶液中的团聚现象发生，更加有效的提取表面等离子激元的能量，增加器件的光电转换效率。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图IA和图IB分别为本发明实施例所提供的金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料在不同倍数的电镜下的示意图；图2为本发明实施例所提供的一种介质层的吸收曲线图；图3为本发明实施例所提供的一种介质层的光致发光曲线图；图4为本发明第一实施例所提供的一种太阳能电池的结构示意图；图5为本发明第二实施例所提供的一种太阳能电池的结构示意图；图6为本发明第二实施例所获得的太阳能电池的光照情况下电流-电压曲线图。
具体实施例方式为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。本发明实施例公开了一种太阳能电池，包括第一电极；第二电极；光活性层，介于所述第一电极与第二电极之间；以及空穴注入层，介于所述第一电极与第二电极之间，所述空穴注入层中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料。本发明实施例还公开了一种太阳能电池，包括第一电极；第二电极；
光活性层，介于所述第一电极与第二电极之间电子传输层，介于所述光活性层与所述第一电极和第二电极中至少一个电极之间；以及空穴注入层，介于所述第一电极与第二电极之间，所述空穴注入层中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料。空穴注入层中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料，一方面，由于其金属纳米颗粒的浓度不高，不会对器件的透光率有明显影响；另一方面，由金属纳米颗粒引起的表面等离子体局域电场增强效应使得对入射光的吸收得到提高，光电转换更加有效，从而有效提闻有机太阳能电池器件的效率。以下将针对本发明的太阳能电池的结构作详细说明。应注意的是，在本说明书中所称“在基材上”，“在某层之上”或者“在某层上方”等用语，皆只是用来表达上下层间的相对关系，并非表示所描述的上下两层一定互相接触，反之，上下两层之间亦有可能夹设其它一层或一层以上的中间层。图IA和图IB分别为本发明实施例所提供的金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料在不同倍数的电镜下的示意图。图中的金属纳米颗粒为金，在其他实施例中，金属纳米颗粒还可以为Ag、Cu、Pt、Co、Ni、Fe中的一种或多种的合金等空气中相对稳定的金属纳米粒子。由图I中可以看出，所合成的金纳米颗粒为圆球状且均匀散布在氧化石墨烯中，其颗粒直径分别为3，6，9nm。具体合成方法包括5ml 0. 5M的氯金酸和5ml 0. 5M的CTAB (十六烷基三甲基溴化铵)加入到小试剂瓶中搅拌5分钟，然后加入0. 6ml 0. OlM的硼酸氢钠，再加入Iml lmg/ml的氧化石墨烯水溶液，超声数分钟，等待数小时反应后离心洗净即得到金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料溶液。图2为本发明实施例所提供的一种介质层(空穴注入层)的吸收曲线图。具体准备方法为分别将纯PEDOT(聚3，4_乙撑二氧噻吩)溶液和混有Au颗粒-氧化石墨烯复合材料的溶液旋涂在导电基底上。由图可以看出，引入金颗粒与氧化石墨烯复合物后，在波长650nm处，出现了很明显的吸收增强，该峰即为金的表面等离子体共振峰。图3所示为本发明实施例所提供的一种介质层的光致发光曲线图。在上述的导电基底上，再另外旋涂一层P3HT (3-己基噻吩的聚合物)溶液。由图可以看出，引入金颗粒-氧化石墨烯复合材料后，由于金属纳米颗粒的共振峰的位置与P3HT的光致发光峰有很好的重合，这为表面等离子体与激子之间的能量传递提供的可能性。图4为本发明第一实施例所提供的一种太阳能电池的结构示意图。太阳能电池10包括顺序设置的第一电极(阳极)11、空穴注入层12、光活性层(光敏层)13以及第二电极(阴极)14。其中，所述第一电极11和第二电极14分别连接电源的负极和正极。本发明的太阳能电池10设置在适当的基材(图未示)上，例如玻璃、塑料或金属基材。基材可以是硬质基材，如玻璃或石英，但也可以是柔性基材，如柔性高分子。可用来作为柔性基材的高分子材料包括(但不限于)聚萘二甲酸乙二酯(PEN;polyethylene naphthalate)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET ；polyethylene terephthalate)、聚酰胺(polyamide)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate)、聚碳酸酯(Polycarbonate)、及/或聚氨酯(polyurethane)。柔性基材可应用在连续制程上,例如网迭式涂布或迭层制程。此外，基材除了绝缘材质外，也可使用导电材质，例如钛、铝、铜、镍等金属材质。基材的厚度并无特别限定，可依照实际需要作适当的调整。基材表面上设置有第一电极11。在优选实施例中，第一电极11为透明材质，以使辐射线可通过第一电极11到达光活性层13。优选的第一电极11材料为金属氧化物或含有掺杂物(doped)的金属氧化物,包括(但不限于)氧化铟锡(indium tinoxide, IT0)、氧化锡、掺氟氧化锡等。第一电极11可用任何传统的方法形成，例如气相沉积、溅镀等。第一电极11的表面形成有空穴注入层12。空穴注入层12中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料。空穴注入层12中还可以包含EDOT (3，4-乙撑二氧噻吩)的聚合物。空穴注入层12通常是以旋转涂布的方式沉积在第一电极11上。除了旋转涂布外，其他常用的沉积方式还包括喷涂、丝网印刷、喷墨印刷等。空穴注入层12的表面上形成有光活性层13。光活性层13至少包含有两种成分，包括电子给体与电子受体，其中电子给体优选为共轭高分子，电子受体优选为富勒烯(fullerene)。适当的共轭高分子包括(但不限于)聚乙炔(Polyacetylene)、聚异苯并噻吩(PITN ；poIyisothianaphthene)、聚噻吩(PT ；polythiophene)、聚卩比咯(PPr ；polypyrrole);聚荷(PF ;polyfIuorene)、聚苯(PPP ;poly (p-phenylene))、聚亚苯基乙烯(PPV ;poly(phenylene vinylene))的衍生物。适当的电子受体包括(但不限于)聚(氰基苯撑乙烯)、富勒烯如碳60及其官能化衍生物、有机分子、有机金属、无机纳米粒子。在以实施例中，光活性层13的成分包括P3HT:PCBM(Poly(3_hexylthiophene) :(6,6)-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)。制作光活性层13时，可将电子给体与电子受体混合在溶剂中，然后将所得溶液以旋转涂布的方式沉积在第一电极11上。除了旋转涂布外，其他常用的沉积方式还包括喷涂、丝网印刷、嗔墨印刷等。之后，将第二电极14形成在光活性层13上，即可完成太阳能电池10制作。第二电极14的材质优选为不透光金属，例如Al、Ca/Al、Mg/Al、Mg/Ag、Cu、Au等。第二电极14通常是以蒸镀法沉积，但亦可用其他形式。下面详细介绍本发明第一实施例中太阳能电池10的主要制作过程，具体如下第一、第一电极11的制备本实施例中采用ITO薄膜作为有机太阳能电池10的第一电极11，所述ITO薄膜的具体制作方法为将ITO导电玻璃衬底放入超声水浴中，分别利用丙酮、无水乙醇和去离子水作为溶剂对ITO玻璃分别超声清洗15min ;在烘箱中干燥该玻璃衬底。第二、空穴注入层12的制备用化学方法合成金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料溶液，并将所得溶液与原有机或无机溶液按一定体积比混合。对洗净的ITO玻璃进行紫外臭氧处理，将其置于旋涂仪的吸盘上，然后往基片上滴加混有金属颗粒-氧化石墨烯复合材料的PEDOT溶液，在 4000rpm下旋涂60s，此后，在空气中对其进行退火20min，温度设置为120°C，从而在ITO玻璃上即形成了空穴注入层12。第三、光活性层13的制备
将上述基片转移至手套箱舱内，利用旋涂法旋涂一层P3HT:PCBM，然后在110°C下退火IOmin.
第四、第二电极14的制备将上述基片转移至蒸发仪舱内，在发光层之上沉积IOOnm厚的铝(Al)、银(Ag)或镁银合金(Mg:Ag)，从而形成有机太阳能电池器件的第二电极14(阴极)。金属阴极的沉积速率保持在0. 5nm/sec,且真空舱的真空度控制在I X 10_6 I X 10_5Torr左右。图5为本发明第二实施例所提供的一种太阳能电池的结构示意图。太阳能电池20包括顺序设置的第一电极(阳极)21、空穴注入层22、光活性层(光敏层)23、电子传输层25以及第二电极(阴极)24。其中，所述第一电极21和第二电极24分别连接电源的负极和正极。第一电极21、空穴注入层22、光活性层23以及第二电极24的结构分别与第一实施例中的第一电极11、空穴注入层12、光活性层13以及第二电极14大致相同，故本实施例不再赘述。第二实施例与第一实施例的不同在于第二实施例中，第二电极24和光活性层23之间设置有电子传输层25。电子传输层25为Zn0、Ti0x、Cs2C03、LiF、CsF或有机小分子层(包括Alq3、Bphen、TPBi 等)。下面详细介绍本发明第二实施例中太阳能电池20的主要制作过程，具体如下第一、第一电极21的制备本实施例中采用ITO薄膜作为有机太阳能电池20的第一电极21，所述ITO薄膜的具体制作方法为将ITO导电玻璃衬底放入超声水浴中，分别利用丙酮、无水乙醇和去离子水作为溶剂对ITO玻璃分别超声清洗15min ;在烘箱中干燥该玻璃衬底。第二、空穴注入层22的制备用化学方法合成金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料溶液，并将所得溶液与原有机或无机溶液按一定体积比混合。对洗净的ITO玻璃进行紫外臭氧处理，将其置于旋涂仪的吸盘上，然后往基片上滴加混有金属颗粒-氧化石墨烯复合材料的PEDOT溶液，在4000rpm下旋涂60s，此后，在空气中对其进行退火20min，温度设置为120°C，从而在ITO玻璃上即形成了空穴注入层22。第三、光活性层23的制备将上述基片转移至手套箱舱内，利用旋涂法旋涂一层P3HT:PCBM，然后在110°C下退火lOmin。第四、电子传输层25的制备将上述基片转移至手套箱舱内，利用旋涂法旋涂一层Zn0、Ti0x、Cs2C03、LiF、CsF或有机小分子层(包括Alq3、BpheruTPBi等)，然后在110°C下退火lOmin。第五、第二电极24的制备将上述基片转移至蒸发仪舱内，在发光层之上沉积IOOnm厚的铝(Al)，从而形成有机太阳能电池器件的阴极。Al的沉积速率保持在0.5nm/sec，且真空舱的真空度控制在I X 1(T6 I X KT5Torr 左右。图6为本发明第二实施例所获得的太阳能电池20的光照情况下电流-电压曲线图。从图6中可以看出，加入了金属颗粒-氧化石墨烯复合材料之后的有机太阳能电池器件的光电流和整体效率得到了有效的提高。综上所述，通过引入金属纳米颗粒并利用其表面等离子体局域增强的效应，有效的增加了对于入射光的吸收效率，同时利用氧化石墨烯作为模板装载金属纳米颗粒可以有效地避免金属纳米颗粒在溶液中的团聚现象发生，更加有效的提取表面等离子激元的能量，增加器件的光电转换效率。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实 体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排
除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种太阳能电池，其特征在于，包括 第一电极； 第二电极； 光活性层，介于所述第一电极与第二电极之间；以及 空穴注入层，介于所述第一电极与第二电极之间，所述空穴注入层中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料。
2.根据权利要求I所述太阳能电池，其特征在于所述空穴注入层中还包含PEDOT。
3.根据权利要求I所述太阳能电池，其特征在于所述金属纳米颗粒选自Au、Ag、Cu、Pt、Co、Ni、Fe中的一种或多种的合金。
4.一种太阳能电池，其特征在于，包括 第一电极； 第二电极； 光活性层，介于所述第一电极与第二电极之间； 电子传输层，介于所述光活性层与所述第一电极和第二电极中至少一个电极之间；以及 空穴注入层，介于所述第一电极与第二电极之间，所述空穴注入层中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料。
5.根据权利要求4所述太阳能电池，其特征在于所述空穴注入层中还包含PEDOT。
6.根据权利要求4所述太阳能电池，其特征在于所述金属纳米颗粒选自Au、Ag、Cu、Pt、Co、Ni、Fe中的一种或多种的合金。
全文摘要
本发明公开了一种太阳能电池，包括第一电极；第二电极；光活性层，介于所述第一电极与第二电极之间；以及空穴注入层，介于所述第一电极与第二电极之间，所述空穴注入层中包含有金属纳米颗粒-氧化石墨烯复合材料。通过引入金属纳米颗粒并利用其表面等离子体局域增强的效应，有效的增加了对于入射光的吸收效率，同时利用氧化石墨烯作为模板装载金属纳米颗粒可以有效地避免金属纳米颗粒在溶液中的团聚现象发生，更加有效的提取表面等离子激元的能量，增加器件的光电转换效率。
文档编号H01L51/42GK102623640SQ20121010115
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者唐建新, 李艳青, 樊国强 申请人:苏州大学