专利名称：一种有机薄膜太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及有机太阳能电池制备领域。
背景技术：
随着人类社会现代化发展，人类对于能源的消耗速度迅速上升。而现在社会能源主要来自于煤、石油、天然气等不可再生能源，一方面由于上述能源的储量有限，不能长久的供给人类社会；另一方面，由于化石燃料的燃烧，导致生态环境破坏，例如温室气体的排放成为全球性问题。为了解决能源问题，开发新型可再生清洁能源是一项重要而且紧急的工作。太阳能作为一种重要的可再生能源，对于人类来说是一种取之不尽的清洁能源。在过去几十年中，无机太阳能电池技术发展迅猛并日趋成熟，已经能够实现大规模发电。然而，无机太阳能电池昂贵的成本仍然阻碍其更广泛的应用，为了解决这一难题，有机聚合物太阳能电池技术在近年来得到了广泛关注，其能量转换效率逐年提高，发展成为太阳能电池技术的一个重要的分支。有机聚合物太阳能电池所使用的有机聚合物成本较无机材料，如硅、锗，要低很多。而且，聚合物太阳能电池的制备工艺简单，容易大规模生产，因此生产成本较低。截止2012年，聚合物太阳能电池效率已经达到9%左右，已经接近市场化应用临界值10%。虽然有机太阳能电池的电池效率在逐步提高，但是相比于无机太阳能电池，能量转换效率还是偏低的。这主要是有机材料迁移率不高，使得活性层厚度只有IOOnm左右，吸收效率较低。而对无机太阳能电池，如单晶硅太阳能电池，活性层厚度为f200um，不需要采用特殊光学结构即可以实现100%的光子吸收效率。因此，如何提高有机太阳能电池的效率成为当今新能源领域热点问题。提高太阳能电池效率的一种重要方法是设计更好的太阳能电池器件结构，使其能够吸收更多的入射光，从而得到更高的光利用率。2007年Kristofer Tvingstedt等发明了一种折叠V型结构的有机聚合物太阳倉泛电池(K. Tvingstedt, V. Andersson, F. L. Zhang, and O. Inganas. Foldedreflective tandem polymer solar cell doubles efficiency [J]. App. Phys. Lett,91:123514)。这种结构将两片独立的平面电池器件，拼接成V型并将其串联。通过两个器件之间的相互反射，增加入射光在V型结构中的光程，从而增加器件对于光的吸收率和电池的外量子效率(EQE)，进而提高了太阳能电池器件的能量转换效率。2008年Yinhua Zhou等设计一种V型折叠结构的太阳能电池构成的阵列(Y. H.Zhou, F. L Zhangj K. Tvingstedtj W. J. Tianj and O. Ingana. Multifolded polymersolar cells on flexible substrates [J]. App. Phys. Lett, 93:033302)。此种结构是上面介绍的V型结构的延伸，将多个V型器件进行串并联组成阵列，对于有机太阳能电池大面积面板设计有很好的借鉴意义。但是，V型结构不能完全吸收散射光，存在漏光问题。2012年Hongyu Zhen等设计了一种圆锥结构的有机太阳能电池(H. Y. ZhenjK. L Z. Y. ，Huang, Z.，Tang, R.， Wu et al. Inverted indium-tin-oxide-freecone-shaped polymer solar cells for light trapping [J]. App. Phys.Lett,100:213901)。这种结构使用柔性衬底制作扇形平面器件，然后卷成立体圆锥形，作用类似光陷阱，可以使入射光在圆锥结构内进行多次反射，而减少反射出去的光。但是，上述锥形结构组成平板板阵列时，填充率较低，这是由于圆锥结构光入射面为圆形，相邻圆之间的空隙不能充分利用，损失掉部分面积。另外，有机太阳能电池器件常用电极材料ITO或Al金属不耐弯曲，容易剥脱，应力的存在会影响器件的使用寿命。申请号为201010611615. X的中国发明专利公开了一种基于单晶硅衬底上多孔金字塔结构的制造方法，属于半导体技术领域。所述方法包括先用传统太阳能电池制绒方法在单晶硅衬底上制备金字塔·结构，再利用等离子体浸没离子注入方法在金字塔结构上制备纳米结构，从而在单晶硅衬底表面形成多孔金字塔结构。本发明在单晶硅衬底上制备多孔金字塔结构，只需两步工艺即可完成，制造过程简单，成本低，有广阔的产业化前景；同时，利用本发明方法在单晶硅表面制备的多孔金字塔结构，降低了单晶硅表面的反射率。申请号为201110252280. I的中国发明专利公开了一种用于太阳电池的多孔金字塔型硅表面陷光结构制备方法，清洗硅片后，采用碱刻蚀制备金字塔结构表面，然后再结合贵金属纳米粒子催化刻蚀的方法制得多孔金字塔表面陷光结构，采用本发明的方法制备出的硅表面多孔金字塔型陷光结构，在300nm到IOOOnm的光谱范围内其平均反射率降到了3. 3%的水平，为提高硅太阳能电池的效率提供了新的技术手段。本发明综合利用传统碱刻蚀与贵金属纳米粒子辅助刻蚀的工艺方法、保持湿法刻蚀的特征，获得硅表面的更高减反射效果。
发明内容本发明针对现有技术的不足，提供一种有机薄膜太阳能电池，其增加了对单位面积入射光的利用，提高了电池的能量转化效率。本发明的技术方案如下一种有机薄膜太阳能电池，由多个电池单体在一平面上紧凑排列而成，其特征在于电池单体的形状为锥体，所述锥体为正三面锥、正四面锥或正六面锥，锥体的内侧面为受光面，每一内侧面都包括一个电池元，该电池元铺满该内侧面。进一步的，锥体的侧面与底面的夹角为45 75°。该夹角为所述锥体的重要结构参数，根据所述太阳能电池主体层吸收特性，不同角度对于所述太阳能电池单位面积光吸收率影响不同。同时锥体结构侧面积也是所述结构的重要参数，侧面积为所述太阳能电池的实际工作面积。进一步的，所述电池元从光入射方向依次为衬底、透明阳极薄膜层、太阳能电池活性层、阴极薄膜层，太阳能电池活性层进行光电转换。也可以倒置电池元，即光入射依次通过透明阳极薄膜层，太阳能电池活性层，阴极薄膜层，衬底。进一步的，阴极薄膜层的另一侧设有包封层。进一步的，所述衬底可以是柔性衬底，要求能隔水隔氧，具有高的太阳光透过率，并具有一定的机械性能。目前一般采用聚对苯二甲酸类塑料薄膜(PET)，也可使用聚酰亚胺膜(PI)。所述衬底也可为硬性衬底，如玻璃等。进一步的，电池单体的多个内侧面的电池元中的太阳能电池活性层为具有不同光波段吸收特性的互补活性层。进一步的，电池单体固定于支撑架上。一种有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤(I)制作电池单体，是将3个、4个或6个三角形电池元制作在同一片衬底上，通过半深划线，将电池元折成锥体，锥体的内侧面为受光面，所述锥体为正三面锥、正四面锥或正六面锥，连接处使用压膜或粘结方式固定；(2)将电池单体在一平面内紧凑排列而成有机薄膜太阳能电池。制作电池单体也可以用另一种方法，先制备出若干片同样大小和形状的三角形电池元，再拼接为锥体结构，固定方法可以用粘结或压膜方式。 本发明中所述的透明阳极薄膜层可以是单层导电材料组成，也可以是多种导电材料组成的多层结构，多层结构包括阳极层和阳极修饰层，无论哪种结构都需要在太阳光谱的范围内具有高的透光率。所述单层结构一般选用铟锡氧化物(ΙΤ0)，所述多层结构一般由铟锡氧化物(ITO)层和阳极修饰层组成，阳极修饰层材料一般选用4-乙撑二氧噻吩聚苯乙烯磺酸(PEDOT: PSS )，常用的为4083，或者MoO3。本发明所述的阴极薄膜层可以是单层导电材料组成，也可以是多种导电材料组成的多层结构，多层结构包括阴极层和阴极修饰层。所述单层结构一般选用Al，所述多层结构中阴极层一般选用高导电率，高反射率的金属，如Al、Ag、Au等，所述阴极修饰层选用LiF、ZnO 或 TiO2 等。所述太阳能电池活性层可以是给体材料和受体材料共混的体异质结功能层，也可以是给体和受体分别成膜的双层体异质结功能层。所述给体材料一般为共轭聚合物和有机小分子，如聚(3_己基喔吩)(P3HT)、聚[I-甲氧基_4_ (2’_乙基-己氧基)_2，5-苯乙稀](MEH-PPV)、聚[2，3-双-(3-辛烷氧基苯基)喹喔啉-5，8- 二基-交替-噻吩-2，5- 二基](TQ1)、酞菁铜(CuPc)等，所述受体材料一般为富勒烯的衍生物，如6，6-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM-C60),6, 6-苯基-C71- 丁酸甲酯(PCBM-C70)、C60、C70 等。所述电池单体的电池元可以选用同一种活性层材料，也可以选用2种以上不同活性层材料，例如四面锥的相对的电池元可以选用具有互补吸收波段的不同活性层材料。本发明的有机薄膜太阳能电池，可以使用支撑结构对其进行固定并确保器件的朝向，同时支撑结构能够引出器件电极，方便电池组串并联。本发明的电池单体，在组成大规模平板阵列时，可以使用透光玻璃进行整体包封，保证器件寿命和稳定性同时，便于对器件产品的维护和清理。本发明的有机薄膜太阳能电池，可以通过调整锥体侧面坡度来改变对太阳光的吸收率。一方面，锥体结构能起到光的稀释作用，可以有效延长太阳能电池的寿命；另一方面，由于光在锥体内多次反射、散射和吸收，使锥体结构的有机薄膜太阳能电池单位面积入射光吸收增强。本发明的有机薄膜太阳能电池，电池单体采用锥体结构，完全不同于现有技术中的平面结构，其平板阵列可以实现100%的填充率，具有良好的应用前景。该结构几何形态控制方便，通过结构内多次反射和散射再吸收，有效增加了受光面积。而且，本发明中组成电池单体的电池元可方便串、并联，增大输出效率。与现有技术中相比，本发明的有机薄膜太阳能电池具有以下优势[0033](I)V型结构有机太阳能电池只有2个对称的器件面，对太阳光的入射角度的依赖性较大，反射或散射到V型结构两侧空白面的光线直接出射出结构不能进行再次利用。本发明的有机薄膜太阳能电池的电池单体为锥体，各个内侧面均为太阳能电池元，对太阳光的入射角度的依赖性较小，光线只能从结构上开口面出射，所以可以更有效的实现光陷阱作用，增大光利用率。(2)圆锥结构太阳能电池光入射面为圆锥底面，是圆形入射面，当圆锥结构太阳能电池并排组成大面积太阳能电池平板阵列时，相邻圆锥结构的入射面之间会存在空白区域，太阳能电池阵列实际器件面积只占到整个阵列面积的约79%。本发明的锥体为正三面锥、正四面锥或正六面锥，组成的有机薄膜太阳能电池，相邻电池单体之间可以无缝拼接，不存在空隙，可实现100%的面填充率，有效的提高电池的效率。圆锥结构太阳能电池需要首先在柔性衬底制作扇形平面器件，再将平面器件弯曲，通过粘结或压膜方式制作成圆锥立体结构，其太阳能电池的有效功能区在曲面状态下工作。在器件由平面变为曲面的过程中，可能导致构成器件的各功能薄膜层所受到应力变大，而应力的变大可能直接导致膜的撕裂、脱落，使薄膜损伤，器件的性能和寿命受到影响。本发明的电池元均为平面，各功能膜层不存在弯曲和应力增大问题，从而具有更好的性能和更长的寿命。此外，本发明的器件衬·底既可是柔性的，也可是刚性的。
图I为本发明的有机薄膜太阳能电池的电池元的结构示意图；图2为本发明的正四面锥形的电池单体的示意图；图3为实施例I串联与器件平铺串联的电压-电流数据对比图；图4为实施例I并联与器件平铺并联的电压-电流数据对比图；图5为实施例I串并联与器件平铺串并联的电压-电流数据对比图；图6为实施例2串联与器件平铺串联的电压-电流数据对比图；图7为实施例2并联与器件平铺并联的电压-电流数据对比图；图8为实施例2串并联与器件平铺串并联的电压-电流数据对比图；图9为实施例3串联与器件平铺串联的电压-电流数据对比图；图10为实施例3并联与器件平铺并联的电压-电流数据对比图；图11为实施例3串并联与器件平铺串并联的电压-电流数据对比图；图12为实施例4串联与器件平铺串联的电压-电流数据对比图；图13为实施例4并联与器件平铺并联的电压-电流数据对比图；图14为实施例4串并联与器件平铺串并联的电压-电流数据对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来说明本发明，但本发明并不仅限于此。如图I所示，本发明的有机薄膜太阳能电池的电池元，包括4层，沿入射光方向依次为柔性衬底层104，透明阳极薄膜层103，太阳能电池活性层102，阴极薄膜层101。以下实施例中，柔性衬底层104为聚对苯二甲酸塑料(PET);透明阳极薄膜层103为多层结构，由高导电率和透光率的ITO (锡氧化铟)膜和阳极修饰薄膜组成，阳极修饰薄膜层为一种高导电率的4-乙撑二氧噻吩聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS);太阳能电池活性层102为给体材料聚[2，3-双-(3-辛烷氧基苯基)喹喔啉-5，8- 二基-交替-噻吩_2，5- 二基](TQl)与受体材料出，6)_苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)共混组成的体异质结功能层；阴极薄膜层101为单层结构Al。 如图2所示为以下实施例的电池单体的结构示意图，4个三角形的电池元I置于支撑架5上，形成正四面锥形的电池单体。4个电池元I制作完成后，可以固定于支撑架5上引出电极，进行串联和/或并联，组成电池单体。电池单体之间再进行串联和/或并联，组成有机薄膜太阳能电池。实施例I本实施例中，正四面锥结构的侧面与底面的夹角β为75°，侧面积为4cm2，底面积为 4 cm2*sin (15。)=1. 04cm2。本实施例的制备流程如下PET衬底ITO膜裁剪获得4片相同大小和形状的等腰三角形基片，然后在基片上制备等腰三角形电池元并引出电极，等腰三角形底边长为I. 02cm，高为1.97cm。阳极修饰层PEDOT: PSS通过在ITO膜上旋涂获得，太阳能电池活性层为TQl: PCBM溶液在PEDOT: PSS膜上旋涂获得，最后通过真空蒸镀法在活性层上镀一层Al作为阴极。4片电池元制作完成后，固定于金字塔支撑架引出电极。使用经校准的太阳光模拟器对本实施例获得的电池单体进行测试，获得的性能参数如表I所示，I-V特性曲线如图3、图4和图5所示。其中器件串联指4片电池元串联一起，并联指4片电池元并联，器件串并联指2片电池元串联后再与另外2片串联的电池元并联，平铺是指使4片电池元固定于平板支撑架使其垂直于入射光。表I实施例I测试结果
权利要求1.一种有机薄膜太阳能电池，由多个电池单体在一平面上紧凑排列而成，其特征在于电池单体的形状为锥体，所述锥体为正三面锥、正四面锥或正六面锥，锥体的内侧面为受光面，每一内侧面都包括一个电池元，该电池元铺满该内侧面。
2.如权利要求I所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于锥体的侧面与底面的夹角为45 75°。
3.如权利要求2所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于所述电池元从光入射方向依次为衬底、透明阳极薄膜层、太阳能电池活性层、阴极薄膜层。
4.如权利要求3所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于阴极薄膜层的另一侧设有包封层。
5.如权利要求3至4任一项所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于所述的衬底是硬性衬底或柔性衬底。
6.如权利要求3至4任一项所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于电池单体的多个内侧面的电池元中的太阳能电池活性层为具有不同光波段吸收特性的互补活性层。
7.如权利要求I至4任一项所述的有机薄膜太阳能电池，其特征在于电池单体固定于支撑架上。
专利摘要本实用新型公开了一种有机薄膜太阳能电池，由多个电池单体在一平面上紧凑排列而成，其特征在于电池单体的形状为锥体，所述锥体为正三面锥、正四面锥或正六面锥，锥体的内侧面为受光面，每一内侧面都包括一个电池元，该电池元铺满该内侧面。本实用新型的有机薄膜太阳能电池结构成型简单，制造工艺简单，制造成本低，填充率达100%，电池元为平面器件，不存在应力问题，便于集成为大规模太阳能电池阵列，具有良好的应用前景。
文档编号H01L51/46GK202678419SQ20122035988
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者侯林涛, 夏玉欣, 王标 申请人:暨南大学