太阳能电池器件及其制备方法
【专利摘要】一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述电子缓冲层的材料包括电子缓冲材料及富勒烯衍生物，所述电子缓冲材料选自氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述富勒烯衍生物选自C60、[6，6]-苯基-C61-丁基酸甲酯、C70及[6，6]-苯基-C71-丁基酸甲酯中的至少一种。该太阳能电池器件的能量转换效率较高。此外，还提供了一种太阳能电池器件的制备方法。
【专利说明】太阳能电池器件及其制备方法
【【技术领域】】
[0001 ] 本发明涉及一种太阳能电池器件及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]太阳能电池器件由于具有廉价、清洁、可再生等优点而得到了广泛的应用。目前常用的太阳能电池器件结构包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极。活性层的激子分离产生空穴和电子后，空穴到达阳极，电子到达阴极，从而被电极收集，形成有效的能量转换。目前常用的太阳能电池中空穴的传输速度比电子的传输速度高很多，使得空穴与电子的传输速度不平衡，从而导致太阳能电池的能量转换效率较低。
【
【发明内容】
】
[0003]基于此，有必要提供一种能量转换效率较高的太阳能电池器件及其制备方法。
[0004]一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述电子缓冲层的材料包括电子缓冲材料及富勒烯衍生物，所述电子缓冲材料选自氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述富勒烯衍生物选自C6(l、[6,6]-苯基-C6「丁基酸甲酯、C7tl及[6,6]-苯基-C71- 丁基酸甲酯中的至少一种。
[0005]在优选的实施例中，所述电子缓冲层的厚度为20nnTl00nm。
[0006]在优选的实施例中，所述电子缓冲层中所述电子缓冲材料与所述富勒烯衍生物的质量比为I: I~1:60。
`[0007]在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的材料为聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
[0008]在优选的实施例中，所述阴极的材料选自铝、银、金及钼中的至少一种。
[0009]一种太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤:
[0010]在阳极表面依次旋涂制备空穴缓冲层及活性层，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物；
[0011]在所述活性层表面旋涂含有电子缓冲材料及富勒烯衍生物的悬浮液制备电子缓冲层，所述电子缓冲材料选自氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述富勒烯衍生物选自C6Q、[6，6]_苯基-C61-丁基酸甲酯、C7tl及[6，6]_苯基-C71-丁基酸甲酯中的至少一种；及
[0012]在所述电子缓冲层的表面蒸镀制备阴极。
[0013]在优选的实施例中，所述电子缓冲层的厚度为20nnTl00nm。
[0014]在优选的实施例中，所述电子缓冲层中所述电子缓冲材料与所述富勒烯衍生物的质量比为I: I~1:60。
[0015]在优选的实施例中，所述含有电子缓冲材料及富勒烯衍生物的悬浮液中所述富勒烯衍生物的质量百分含量为5%~30%。[0016]在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的材料为聚3，4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
[0017]上述太阳能电池器件及其制造方法，通过设置由电子缓冲材料和富勒烯衍生物掺杂形成的电子缓冲层，富勒烯衍生物的电子传输速率较高，与活性层的材料是同系物，性质接近，两层之间的能级差相差较小，几乎不存在能量势垒，同时，富勒烯衍生物的电子传输速率较高，可提高电子传输速率，使空穴与电子的传输速率达到平衡，最终提高太阳能电池器件的能量转换效率；电子缓冲层由旋涂制备，一方面，旋涂工艺简单可控，同时，活性层也采用的是旋涂，因此，可使两层的相容性得到加强，掺杂工艺比单独蒸镀电子缓冲层更简单，对厚度要求较低，制备工艺简单。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0018]通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0019]图1为一实施例的太阳能电池器件的结构示意图；
[0020]图2为一实施例的太阳能电池器件的制备方法的流程图；
[0021]图3为实施例1的太阳能电池器件的电流密度与电压关系图。
【【具体实施方式】】
[0022]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
`[0023]请参阅图1，一实施例的太阳能电池器件100包括依次层叠的阳极10、空穴缓冲层20、活性层30、电子缓冲层40及阴极50。
[0024]阳极10为铟锡氧化物玻璃(ΙΤ0)、掺氟的氧化锡玻璃(FT0)，掺铝的氧化锌玻璃(AZO)或掺铟的氧化锌玻璃(IZO)。
[0025]空穴缓冲层20形成于阳极10表面。空穴缓冲层20的材料为聚3，4_ 二氧乙烯噻吩(PEDOT)与聚苯磺酸钠(PSS)的混合物。其中PEDOT与PSS的质量比为2:1~6:1，优选为6:1。空穴缓冲层20的厚度为20nnT80nm，优选为40nm。
[0026]活性层30形成于空穴缓冲层20表面。活性层30的材料为聚3_己基噻吩(P3HT)与富勒烯的丁酸甲酯衍生物(PCBM)的混合物。其中P3HT:PCBM的质量为1:0.5~1:4优选为1:0.8。活性层30的厚度为80nnT300nm，优选为200nm。
[0027]电子缓冲层40形成于活性层30表面。电子缓冲层40的材料为电子缓冲材料与富勒烯衍生物的混合物。其中电子缓冲材料与富勒烯衍生物的质量比为1:广1:60。电子缓冲材料选自氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)或碳酸铯(Cs2CO3)中的至少一种。富勒烯衍生物选自C6Q、[6，6]-苯基-C61-丁基酸甲酯(PC61BM)、C7Q或[6，6]-苯基-C71-丁基酸甲酯(PC71BM)中的至少一种。电子缓冲层40的厚度为20nm~lOOnm。C7tl为富勒烯的一种衍生物。[0028]阴极50形成于电子缓冲层40表面。阴极50的材料选自铝(Al)、银(Ag)、金(Au)及钼(Pt)中的至少一种，优选为Al。阴极50的厚度为80nnT200nm，优选为150nm。
[0029]该太阳能电池器件100，通过设置由电子缓冲材料和富勒烯衍生物掺杂形成的电子缓冲层40，富勒烯衍生物的电子传输速率较高，与活性层30的材料是同系物，性质接近，两层之间的能级差相差较小，几乎不存在能量势垒，同时，富勒烯衍生物的电子传输速率较高，可提高电子传输速率，使空穴与电子的传输速率达到平衡，最终提高太阳能电池器件100的能量转换效率。
[0030]请同时参阅图2，一实施例的太阳能电池器件100的制备方法，其包括以下步骤:
[0031]步骤S110、在阳极10表面依次旋涂制备空穴缓冲层20及活性层30。
[0032]阳极10为铟锡氧化物玻璃(ΙΤ0)、掺氟的氧化锡玻璃(FT0)，掺铝的氧化锌玻璃(AZO)或掺铟的氧化锌玻璃(IZO)。
[0033]本实施方式中，对阳极10前处理包括去除阳极10表面的有机污染物及对阳极10进行等氧离子处理。将阳极10采用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙酮各超声波清洗15min，以去除基底10表面的有机污染物；对阳极10进行等氧离子处理时间为5mirTl5min，功率为 10~50W。
[0034]空穴缓冲层20由PED0T:PSS的水溶液旋涂在阳极10表面制成。旋涂的转速为2000rpm~6000rpm，时间为IOs~30s。其中PEDOT与PSS的质量比为2:1~6:1，优选为6:1。PEDOT:PSS的质量浓度为1%~5%，优选为1.3%。旋涂后，在100°C~200°C下加热15~60min，优选的，旋涂后在200°C下加热30min。空穴缓冲层20的厚度为20nnT80nm，优选为40nm。
[0035]活性层30由活性层溶液旋涂在空穴缓冲层20表面制成。旋涂的转速为4000rpnT6000rpm,时间为 IOs~30s。活性层溶液中活性层材料的浓度为8mg/ml~30mg/ml,优选为18mg/ml。活性层溶液的溶剂选自甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一种，活性层材料为聚3-己基噻吩(P3HT)与富勒烯的丁酸甲酯衍生物(PCBM)的混合物。其中P3HT:PCBM的质量为1:0.5~1:4优选为1:0.8。旋涂活性层30在充满惰性气体的手套箱中进行，之后在50°C~200°C下退火5分钟~100分钟，或在室温下放置24~48小时，优选在200°C下退火5分钟。活性层30的厚度为80nnT300nm，优选为200nm。
[0036]步骤S120、在活性层30表面旋涂含有电子缓冲材料及富勒烯衍生物的悬浮液制备电子缓冲层40，电子缓冲材料选自氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)或碳酸铯(Cs2CO3)中的至少一种，富勒烯衍生物选自C6Q、[6,6]-苯基-C61- 丁基酸甲酯(PC61BM)、C7Q或[6，6]-苯基-C71-丁基酸甲酯(PC71BM)中的至少一种。
[0037]优选的，电子缓冲材料与富勒烯衍生物的质量比为1:广1:60。
[0038]优选的，含有电子缓冲材料及富勒烯衍生物的悬浮液中富勒烯衍生物的质量百分含量为5%~30%。溶剂选自甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一种。
[0039]优选的，旋涂的转速为500rpnT6000rpm，时间为5s飞Os。旋涂后烘干得到的电子缓冲层40的厚度为20nnT80nm。
[0040]步骤S130、在电子缓冲层40表面蒸镀制备阴极50。
[0041]阴极50形成于电子缓冲层40表面。阴极50的材料选自铝(Al)、银(Ag)、金(Au)及钼(Pt)中的至少一种，优选为Al。阴极50的厚度为80nnT200nm，优选为150nm。蒸镀在真空压力为5 X 10_3~2 X KT4Pa下进行，蒸镀速率为lnm/s~10nm/s。[0042]上述太阳能电池器件制备方法，电子缓冲层由旋涂制备，一方面，旋涂工艺简单可控，同时，活性层也采用的是旋涂，因此，可使两层的相容性得到加强，掺杂工艺比单独蒸镀电子缓冲层更简单，对厚度要求较低，制备工艺简单。
[0043]以下结合具体实施例对本发明提供的太阳能电池器件的制备方法进行详细说明。
[0044]本发明实施例及对比例所用到的制备与测试仪器为:高真空镀膜设备(沈阳科学仪器研制中心有限公司，压强〈IX 10_3Pa)、电流-电压测试仪(美国Keithly公司，型号:2602)、用500W氙灯(Osram)与AM 1.5的滤光片组合作为模拟太阳光的白光光源。
[0045]实施例1
[0046]本实施例制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/PC7IBM:LiF/Al的太阳能电池器件。
[0047]先将ITO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W ;在上述基底上旋涂空穴缓冲层，采用浓度为
1.3%的PED0T:PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为6:1，旋涂的转速为4000rpm，时间为20s，旋涂后在200°C下加热30min，空穴缓冲层厚度为40nm ;接着旋涂活性层，活性层由浓度为18mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为氯苯，其中P3HT与PCBM的质量为1:0.8，旋涂的转速为3000rpm，时间为15s，旋涂后在200°C下退火5分钟，活性层厚度为200nm ;旋涂电子缓冲层，电子缓冲层由含有PC71BM及LiF的悬浮液旋涂而成，悬浮液中，PC71BM的质量分数为20%，LiF的质量分数为1.5%，溶剂为氯苯，旋涂的转速为4000rpm，时间为15s,烘干后得到的电子缓冲层的厚度为80nm ;蒸镀阴极,材料为Al,厚度为150nm,蒸镀在真空压力为5X KT4Pa下进行，蒸镀速率为2nm/s，最后得到所需要的聚合物太阳能电池。
`[0048]请参阅图3，所示为实施例1中制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/PC7IBM:LiF/Al的太阳能电池器件(曲线I)与传统的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太阳能电池器件(曲线2)的电流密度与电压关系，表1所示为实施例1中制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/PC7IBM:LiF/Al的太阳能电池器件与传统的结构为ITO/PEDOT: PSS/P3HT: PCBM/LiF/Al太阳能电池器件的电流密度、电压、能量转换效率(Π )及填充因子数据。传统的太阳能电池器件中各层厚度与实施例1制备的太阳能电池器件中各层厚度相同。
[0049]表1
[0050]
I电流密度(mA/cm2)I电压(V) η (%)~|填充因子
曲线 I 16.000.64 ?2Λ 0732
曲线 2 13.290.65 2730 0.27
[0051]从表1和图3可以看到，常用的太阳能电池器件电流密度为13.29mA/cm2，而实施例I制备的太阳能电池器件电流密度提高到了 16.0OmA/cm2，这说明，本发明通过在电子缓冲层中加入富勒烯衍生物，可提高电子传输速率，使空穴与电子的传输速率达到平衡，最终提高能量转换效率。传统的太阳能电池器件的能量转换效率为2.30%,而本实施例制备的太阳能电池器件的能量转换效率为3.24%。
[0052]以下各个实施例的电流密度与电压关系曲线、电流密度、电压、能量转换效率及填充因子都与实施例1相类似，各太阳能电池器件也具有类似的能量转换效率，在下面不再赘述。
[0053]实施例2
[0054]本实施例制备的结构为IZ0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/PC6IBM:Cs2C03/Ag 的太阳能电池器件。
[0055]先将IZO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W ;在上述基底上旋涂空穴缓冲层，采用浓度为5%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为2:1，旋涂的转速为2000rpm，时间为10s，旋涂后在200°C下加热15min，厚度80nm ;接着旋涂活性层，活性层由浓度为24mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为氯仿，其中P3HT与PCBM的质量为1:0.5，旋涂的转速为4000rpm，时间为10s，旋涂后在100°C下退火20min，厚度为160nm ;旋涂电子缓冲层，电子缓冲层由含有PC61BM及Cs2CO3的悬浮液旋涂而成，悬浮液中，PC61BM的质量分数为5%，Cs2CO3的质量分数为5%，溶剂为甲苯，旋涂转速为500rpm，时间为25s，旋涂后烘干，厚度为IOOnm ;然后蒸镀阴极，材料为Ag，厚度为80nm，蒸镀在真空压力为2 X 10_4Pa下进行，蒸镀速率为lOnm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
[0056]实施例3
[0057]本实施例制备的结构为FT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/C6Q:Li2CO3Au的太阳能电池器件。
[0058]先将FTO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W ;在上述基底上旋涂空穴缓冲层，采用浓度为1%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为5:1，旋涂的转速为6000rpm，时间为30s，旋涂后在100°C下加热60min，厚度20nm ;接着旋涂活性层，活性层由浓度为16mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为二甲苯，其中P3HT与PCBM的质量为1:3，旋涂的转速为2000rpm，时间为30s，旋涂后在100°C下退火lOOmin，厚度为200nm ;旋涂电子缓冲层，电子缓冲层由含有C6tl及Li2CO3的悬浮液旋涂而成，悬浮液中，C60的质量分数为30%，Li2CO3的质量分数为0.5%，溶剂为氯仿，旋涂转速为6000rpm，时间为60s，旋涂后烘干，厚度为20nm ;接着蒸镀阴极,材料为Au,厚度为180nm,蒸镀在真空压力为5X 10_3Pa下进行,蒸镀速率为lnm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
[0059]实施例4
[0060]本实施例制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/C7Q:Li2C03/Pt的太阳能电池器件。
[0061]先将ITO进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W ;在上述基底上旋涂空穴缓冲层，采用浓度为2%的PEDOT:PSS的水溶液，其中，PEDOT与PSS的质量比为3:1，旋涂的转速为4500rpm，时间为20s，旋涂后在150°C下加热40min，厚度70nm ;旋涂活性层，活性层由浓度为8mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶剂为甲苯，其中P3HT与PCBM的质量为1: 1，旋涂的转速为5500rpm,时间为20s，旋涂后在70°C下退火lOOmin，厚度为300nm ;旋涂电子缓冲层，电子缓冲层由含有C7tl及Li2CO3的悬浮液旋涂而成，悬浮液中C7tl的质量分数为10%，Li2CO3的质量分数为2%，溶剂为二甲苯，旋涂的转速为3000rpm，时间为30s，旋涂后烘干，厚度为80nm ；接着蒸镀阴极，材料为Pt，厚度为250nm，蒸镀在真空压力为8X10_4Pa下进行，蒸镀速率为3nm/s，最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
[0062]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种太阳能电池器件，其特征在于，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述电子缓冲层的材料包括电子缓冲材料及富勒烯衍生物，所述电子缓冲材料选自氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述富勒烯衍生物选自C6(l、[6，6]-苯基-C61-丁基酸甲酯、C7tl及[6,6]-苯基-C71- 丁基酸甲酯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于:所述电子缓冲层的厚度为20nm~lOOnm。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于:所述电子缓冲层中所述电子缓冲材料与所述富勒烯衍生物的质量比为1:广1:60。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于:所述空穴缓冲层的材料为聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于:所述阴极的材料选自铝、银、金及钼中的至少一种。
6.一种太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 在阳极表面依次旋涂制备空穴缓冲层及活性层，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与富勒烯的丁酸甲酯的混合物； 在所述活性层表面旋涂含有电子缓冲材料及富勒烯衍生物的悬浮液制备电子缓冲层，所述电子缓冲材料选自氟化锂、碳酸锂及碳酸铯中的至少一种，所述富勒烯衍生物选自C6Q、[6，6]-苯基-C6 1- 丁基酸甲酯、C70及[6，6]-苯基-C71- 丁基酸甲酯中的至少一种；及 在所述电子缓冲层的表面蒸镀制备阴极。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于:所述电子缓冲层的厚度为20nm~lOOnm。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于:所述电子缓冲层中所述电子缓冲材料与所述富勒烯衍生物的质量比为1: f 1:60。
9.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于:所述含有电子缓冲材料及富勒烯衍生物的悬浮液中所述富勒烯衍生物的质量百分含量为5%~30%。
10.根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于:所述空穴缓冲层的材料为聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
【文档编号】H01L51/48GK103824942SQ201210468624
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年11月19日 优先权日:2012年11月19日
【发明者】周明杰, 王平, 黄辉, 陈吉星 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司