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、第一活性层、中间层、第二活性层、电子缓冲层及阴极，所述第一活性层和第二活性层的材料为聚3-己基噻吩与6,6-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物，所述中间层的材料包括空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛，所述空穴缓冲材料为聚3,4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。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、第一活性层、电子缓冲层及阴极。第一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，传统的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、第一活性层、中间层、第二活性层、电子缓冲层及阴极，所述第一活性层和第二活性层的的材料为聚3-己基噻吩与6，6-苯基-C61- 丁酸甲酯的混合物，所述中间层的材料包括空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛，所述空穴缓冲材料为聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
[0005]在优选的实施例中，所述中间层的厚度为10nnT30nm。
[0006]在优选的实施例中，所述中间层中所述空穴缓冲材料、所述醋酸锌及所述二氧化钛的质量比为1:30:40^1:20:40o
[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，所述第一活性层及第二活性层中所述聚3-己基噻吩与所述6,6-苯基-C61-丁酸甲酯的质量比为1:0.5~1:4。
[0009]一种太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤:
[0010]在阳极表面上旋涂制备空穴缓冲层；
[0011]在所述空穴缓冲层上旋涂含有聚3-己基噻吩及6，6-苯基-C61-丁酸甲酯的溶液，形成第一活性层；
[0012]将含有空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛的悬浮液旋涂在所述第一活性层表面制备中间层，所述空穴缓冲材料为聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物；
[0013]在所述中间层表面旋涂含有聚3-己基噻吩及6，6-苯基-C61-丁酸甲酯的溶液，形成第二活性层 '及
[0014]在所述第二活性层的表面依次蒸镀制备电子缓冲层及阴极。
[0015]在优选的实施例中，所述中间层中所述空穴缓冲材料、所述醋酸锌及所述二氧化钛的质量比为1:30:40^1:20:40ο
[0016]在优选的实施例中，所述中间层的厚度为10nnT30nm。
[0017]在优选的实施例中 ，旋涂制备中间层时，转速为3000rpnT5000rpm，时间为10秒~30秒，ο[0018]在优选的实施例中，所述含有空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛的悬浮液中，所述醋酸锌的质量浓度为75%。
[0019]上述太阳能电池器件及其制备方法，通过在第一活性层及第二活性层之间制备中间层，提高太阳能电池器件的第一活性层及第二活性层的光吸收效率，从而提高光电转换效率；将聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物与醋酸锌、二氧化钛进行混合作为中间层，醋酸锌与聚3，4- 二氧乙烯噻吩为P掺杂体，而二氧化钛为η型材料，三者混合后，可呈现P型和η型的双极性，可同时提高电子的注入与传输，空穴的注入与传输性能，进而提闻中间层收集空穴和电子的效率，从而提闻光电转换效率；而聚3，4_ 二氧乙稀卩Jl吩具有粘性，旋涂制备中间层时，可提高悬浮液的粘度，使其与第一活性层更好的相连，同时又具有很高的导电性，提高太阳能电池器件的导电性能，降低能量消耗。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0020]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。
[0021]图1为一实施例的太阳能电池器件的结构示意图；
[0022]图2为一实施例的太阳能电池器件的制备方法流程图；
[0023]图3为实施例1的太阳能电池器件及传统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】】
[0024]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。
[0025]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、第一活性层30、中间层40、第二活性层50、电子缓冲层60及阴极70。
[0026]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)。
[0027]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3:1。空穴缓冲层20的厚度为20nnT80nm，优选为40nm。
[0028]第一活性层30形成于空穴缓冲层20表面。第一活性层30的材料为聚3_己基噻吩(P3HT)与6，6-苯基-C61- 丁酸甲酯(PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC61BM的质量为1:0.5~1:4，优选为1:2。第一活性层30的厚度为80nnT300nm，优选为160nm。
[0029]中间层40形成于第一活性层30的表面。中间层40的材料包括空穴缓冲材料、醋酸锌(ZnAc2)及二氧化钛(TiO2)。空穴缓冲材料为聚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3:1。中间层40中所述空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛的质量比为l:30:4(Tl:20:40。中间层40的厚度为10nm~30nmo
[0030]第二活性层50形成于中间层40的表面。第二活性层50的材料为聚3_己基噻吩(P3HT)与6，6-苯基-C61- 丁酸甲酯(PC61BM)的混合物。其中P3HT: PC61BM的质量为1:0.5~1:4优选为1:2。第二活性层50的厚度为80nnT300nm，优选为160nm。
[0031]电子缓冲层60形成于第二活性层50表面。电子缓冲层60的材料选自叠氮化铯(CsN3)、氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)及碳酸铯(Cs2CO3)中的至少一种，优选为LiF。电子缓冲层60的厚度为0.5nnTl0nm，优选为0.7nm。
[0032]阴极70形成于电子缓冲层60表面。阴极70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70的厚度为80nnT300nm，优选为150nm。
[0033]该太阳能电池器件100，通过在第一活性层30及第二活性层50之间制备中间层40，提高太阳能电池器件10的第一活性层30及第二活性层50的光吸收效率，从而提高光电转换效率；将聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物与醋酸锌、二氧化钛进行混合作为中间层40，醋酸锌与聚3，4- 二氧乙烯噻吩为P掺杂体，而二氧化钛为η型材料，三者混合后，可呈现P型和η型的双极性，可同时提高电子的注入与传输，空穴的注入与传输性能，进而提高中间层收集空穴和电子的效率，从而提高光电转换效率?’而聚3，4-二氧乙烯噻吩具有粘性，旋涂制备中间层时，可提高悬浮液的粘度，使其与第一活性层30更好的相连，同时又具有很高的导电性，提高太阳能电池器件100的导电性能，降低能量消耗。。
[0034]需要说明的是，上述太阳能电池器件100还可以根据需要设置其他功能层。
[0035]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:
[0036]步骤S110、在阳极10表面旋涂制备空穴缓冲层20。
`[0037]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)。
[0038]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。
[0039]空穴缓冲层20通过在阳极10表面旋涂含有空穴缓冲材料的溶液制备。旋涂的转速为2000rpnT6000rpm，时间为IOs~30s。层空穴缓冲材料为聚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飞:1，优选为3:1。含有空穴缓冲材料的溶液中空穴缓冲材料的质量浓度为1%~5%，优选为4(%，溶剂为水。旋涂后在100°C~200°C下加入15分钟飞O分钟，优选在200°C下加热30分钟。空穴缓冲层20的厚度为20nm~80nm,优选为40nm。
[0040]步骤S120、在空穴缓冲层20表面旋涂制备第一活性层30。
[0041]第一活性层30由第一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lOslOs。第一活性层溶液中第一活性层材料的浓度为8mg/ml~30mg/ml,优选为20mg/ml。第一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，优选为氯苯。第一活性层材料为聚3-己基噻吩(P3HT)与6，6-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)的混合物。其中P3HT = PC61BM的质量为1:0.5~1:4，优选为1:2。旋涂第一活性层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100°C下退火15分钟。第一活性层30的厚度为80nnT300nm，优选为160nm。
[0042]步骤S130、将含有空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛的悬浮液旋涂在第一活性层30表面制备中间层40。
[0043]空穴缓冲材料为聚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飞:1，优选为3:1。悬浮液中，空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛的质量比为1:30:4(Tl:20:40,醋酸锌的质量浓度为5%~30，空穴缓冲材料的质量浓度为1_5%，二氧化钛的质量浓度为10%~40%。二氧化钛的粒径为20nnT200nm。二氧化钛的粒径指的是买回来的粒径，买回来得二氧化钛是一种团簇结构，并没有完全分散的，因此，粒径相对较大，旋涂时会彻底分散。
[0044]优选的，悬浮液由以下步骤制备:将醋酸和氧化锌混合形成醋酸锌溶液，其中氧化锌的质量浓度为5%~30% ;将聚3，4- 二氧乙烯噻吩(PEDOT)及聚苯磺酸钠(PSS)的水溶液、醋酸锌溶液及二氧化钛混合得到悬浮液。醋酸锌由氧化锌与醋酸混合得到。醋酸锌为市售氧化锌与醋酸的混合体，醋酸为分析纯标准，氧化锌的质量分数为5-20%。醋酸为分析纯标准。
[0045]旋涂的转速为5000rpnT8000rpm，时间为10秒~30秒。旋涂后干燥，得到的中间层40的厚度为10nm~30nm。
[0046]步骤S140、在中间层40表面旋涂制备第二活性层50。
[0047]第二活性层50由第二活性层溶液旋涂在第二中间层50表面制成。旋涂的转速为4000rpnT6000rpm，时间为lOslOs。第二活性层溶液中第二活性层材料的浓度为8mg/ml~30mg/ml,优选 为20mg/ml。第二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，优选为氯苯。第二活性层材料为聚3-己基噻吩(P3HT)与6，6-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)的混合物。其中P3HT = PC61BM的质量为1:0.5~1:4，优选为1:2。旋涂第二活性层50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100°C下退火15分钟。第二活性层50的厚度为80nnT300nm，优选为160nm。
[0048]步骤S150、在第二活性层50的表面依次蒸镀制备电子缓冲层60及阴极70。
[0049]电子缓冲层60形成于第二活性层50表面。电子缓冲层60的材料选自叠氮化铯(CsN3)、氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)及碳酸铯(Cs2CO3)中的至少一种，优选为LiF。电子缓冲层60的厚度为0.5nm~10nm，优选为0.7nm。蒸镀在真空压力为3 X 10_3~2 X KT4Pa下进行，蒸镀速率为0.lnm/s~lnm/s。
[0050]阴极70形成于电子缓冲层60表面。阴极70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70的厚度为80nnT300nm，优选为150nm。蒸镀在真空压力为3 X 10-3~2 X KT4Pa下进行,蒸镀速率为lnm/s~10nm/s。
[0051]上述太阳能电池器件制备方法，制备工艺简单，制备的太阳能电池器件的能量转
换效率较高。
[0052]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。
[0053]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。
[0054]实施例1
[0055]本实施例制备的结构为:IT0/PED0T:PSS/P3HT= PC61BM/ 醋酸锌:PED0T:PSS: 二氧化钛/P3HT:PC61BM/LiF/Al的太阳能电池器件。
[0056]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 ;旋涂制备空穴缓冲层，PED0T:PSS的质量比为3:1，PEDOT: PSS的质量分数为4 %，旋涂的转速为4000rpm，时间为15s，旋涂后在200 V下加热30min，厚度为40nm ;旋涂第一活性层，第一活性层由浓度为20mg/ml的P3HT = PC61BM溶液旋涂而成，溶剂为氯苯，P3HT与PC61BM的质量比为1: 2，旋涂的转速为5000rpm，时间为20s，旋涂后在100°C下退火15分钟，厚度控制在160nm。旋涂中间层，悬浮液的包括PEDOT:PSS、醋酸锌及二氧化钛，溶剂为水，PEDOT:PSS的质量分数为2%，PEDOT:PSS的重量比为3:1，醋酸锌的质量分数为15%，二氧化钛的质量分数为30%，二氧化钛的粒径为20nm，旋涂的转速为7000rpm，时间为15s，烘干，厚度为25nm。然后旋涂第二活性层，材料为P3HT:PC61BM，P3HT与PC61BM质量比为1:2，悬浮液中P3HT = PC61BM的质量分数为20mg/L，旋涂的转速为5500rpm,时间为15s,旋涂后在100°C下退火15分钟，厚度控制在160nm。然后蒸镀制备电子缓冲层，材料为LiF，厚度为0.1xm,蒸镀在真空压力为5 X KT4Pa下进行，蒸镀速率为
0.2nm/s ;蒸镀阴极,材料为Al,厚度为150nm,蒸镀在真空压力为5X 10_4Pa下进行,蒸镀速率为5nm/s。最后得到所要的聚合物太阳能电池器件。
[0057]请参阅图3，所示为实施例1中制备的结构为IT0/PED0T:PSS/P3HT = PC61BM/醋酸锌:PED0T:PSS: 二氧化钛/P3HT:PC61BM/LiF/Al的太阳能电池器件(曲线I)与传统的结构为IT0/PED0T:PSS/P3HT:P`CBM/LiF/Al太阳能电池器件(曲线2)的电流密度与电压关系，表I所示为实施例1中制备的结构为IT0/PED0T:PSS/P3HT = PC61BM/醋酸锌:PED0T:PSS: 二氧化钛/P3HT:PC61BM/LiF/Al的太阳能电池器件与传统的结构为IT0/PED0T: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(η)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。
[0058]表1
[0059]
【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、第一活性层、中间层、第二活性层、电子缓冲层及阴极，所述第一活性层和第二活性层的材料为聚3-己基噻吩与6，6-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物，所述中间层的材料包括空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛，所述空穴缓冲材料为聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于:所述中间层的厚度为10nm?30nmo
3.根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于:所述中间层中所述空穴缓冲材料、所述醋酸锌及所述二氧化钛的质量比1:30:4(Tl: 20:40。
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:所述第一活性层及第二活性层中所述聚3-己基噻吩与所述6，6-苯基-C61- 丁酸甲酯的质量比为1:0.5?1:4。
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: 在阳极表面上旋涂制备空穴缓冲层； 在所述空穴缓冲层上旋涂含有聚3-己基噻吩及6，6-苯基-C61-丁酸甲酯的溶液，形成第一活性层； 将含有空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛的悬浮液旋涂在所述第一活性层表面制备中间层，所述空穴缓冲材料为聚3，4- 二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物； 在所述中间层表面旋涂含有聚3-己基噻吩及6，6-苯基-C61-丁酸甲酯的溶液，形成第二活性层 '及 在所述第二活性层的表面依次蒸镀制备电子缓冲层及阴极。
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:所述中间层中所述空穴缓冲材料、所述醋酸锌及所述二氧化钛的质量比为1:30:4(Tl: 20:40。
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:所述中间层的厚度为10nm?30nm。
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:旋涂制备中间层时，转速为3000rpnT5000rpm，时间为10秒?30秒。
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:所述含有空穴缓冲材料、醋酸锌及二氧化钛的悬浮液中，所述醋酸锌的质量浓度为75%。
【文档编号】H01L51/44GK103824949SQ201210468755
【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