透明光伏电池的制作方法
【专利摘要】在此披露了一种透明光伏电池及其制作方法。这种光伏电池可包括一个透明基底以及覆盖该基底的一种第一活性材料。该第一活性材料在大于约650纳米的一个波长处可以具有一个第一吸收峰。一种第二活性材料被布置为覆盖该基底，该第二活性材料在可见光光谱外的一个波长处具有一个第二吸收峰。这种光伏电池还可以包括一个透明阴极和一个透明阳极。
【专利说明】透明光伏电池
[0001]在先提交申请的交叉引用
[0002]本申请要求于之前提交的在2011年I月26日提交的临时专利申请61/436，671的优先权，通过引用将其全文结合在此。
[0003]发明领域
[0004]本发明涉及光伏器件领域，并且更具体地涉及有机光伏器件。
[0005]【背景技术】
[0006]利用太阳能所必须的表面面积仍然是弥补一大部分非再生能源消耗的一个障碍。出于这个原因，能够整合到家庭、大厦以及汽车中的窗玻璃上的低成本透明有机光伏器件(OPV)是令人希望的。例如，用在汽车和建筑中的窗户玻璃通常分别对可见光谱(例如，带有从约450至650纳米(nm)的波长的光)的70%_80%和55%_90%是可穿透的。有限的机械灵活性、高模块成本、以及更重要的是无机半导体的带状吸收限制了它们对透明太阳能电池潜在的实用性。相反，有机及分子半导体的激子特征导致了由吸收极小值和极大值高度结构化的吸收光谱，该吸收光谱与它们的无机对应物的带状吸收截然不同。之前为构造半透明器件的努力集中到具有专注于可见光谱的吸收的薄活性层(或物理孔)的使用上，并且因此受限于或者小于1%的低效率或者是对约10%-35%的光的低平均可见透射率(AVT)，因为这两个参数不能同时被优化。
[0007]发明概述
[0008]在此公开了一种透明光伏电池以及制作方法。这种光伏电池可以包括一个透明基底以及覆盖该基底的一种第一活性材料。该第一活性材料在大于约650纳米的一个波长处可以具有一个吸收峰。一种第二活性材料被配置成覆盖该基底，该第二活性材料在可见光光谱外的一个波长外具有一个吸收峰。该光伏电池还可以包括一个透明阴极和一个透明阳极。
[0009]该阴极和该阳极中的至少一个可以被配置成将在该第一活性材料中的吸收最大化。该阴极和该阳极中的至少一个可以被配置成将在该第二活性材料中的吸收最大化。该第一活性材料以及该第二活性材料可以位于不同的层中。该第一活性材料在小于约450纳米的一个波长处可以具有一个第二吸收峰。
[0010]该第一活性材料可以是一个供体，并且该第二活性材料可以是一个受体。该器件还可以包括在近红外波长处反射的一个反射镜。该第一活性材料可以包括一种有机材料。该第一活性材料可以包括以下至少一种:一种酞菁染料、一种卟啉染料、或一种萘菁染料。该第一活性材料可以包括氯铝酞菁。该第一活性层可以包括锡酞菁。该第二活性层可以包括碳60 (C6tl)或一种奈米管中的至少一种。该第一和第二活性材料可以被配置成用于同多个柔性封装层一起使用。
[0011]这种光伏电池可以包括一个透明基底以及覆盖该基底的一种第一活性材料。该第一活性材料在大于约650纳米的一个波长处可以具有一个第一吸收峰。该光伏电池可以包括覆盖该基底的一种第二活性材料，该第二活性材料在大于约650纳米或小于约450纳米的一个波长处具有一个第二吸收峰。该光伏电池还可以包括一个透明阴极和一个透明阳极。
[0012]该光伏电池可以包括:一个复合区，该复合区被布置在一个第一和第二子电池之间，该第一和第二子电池各自在可见光光谱外的一个波长处具有多个吸收峰；一个透明阴极；以及一个透明阳极。该光伏电池可以是透明的或半透明的。
[0013]—种制造光伏电池的方法,该方法可以包括在一个基底上制造一种第一电极材料，该电极材料以及该基底对于可见光是透明的。可以制造至少一个层，该层具有在大于约650纳米的一个波长处有一个吸收峰的一种第一活性材料以及在小于约可见光光谱外的一个波长处有一个吸收峰的一种第二活性材料。一个第二电极可以由对可见光透明的材料制造。该方法可以包括为该第一或第二电极中的至少一个选择一个厚度，这样使得在该红外吸收活性层中的近红外光的吸收最大化。该方法还可以包括制造一个用于近红外光的多层反射镜。
[0014]该方法可以包括制造一个第一和第二子电池，该第一和第二子电池各自在可见光光谱外的多个波长处具有多个吸收峰。一个复合区可以被布置在该第一和第二子电池之间。还可以制造一个透明阴极和一个透明阳极。该光伏电池可以是透明的或半透明的。
[0015]附图简要说明
[0016]图1(a)示出了一个控制太阳能电池的示意图；
[0017]图1(b)示出了一个全透明太阳能电池实施例的示意图；
[0018]图1(c)是一个曲线图，示出了在图1(a)和图1(b)中这些活性层的消光系数k;
[0019]图1(d)是一个曲线图，示出了图1(a)和图1 (b)中所示的ClAlPc-C6ci控制电池以及透明电池的电流-电压(J-V)曲线；
[0020]图2(a)是一个曲线图，示出了当氧化铟锡(ITO)的厚度增加时，串联电阻减小并且填充因数(FF)饱和接近于该控制电池的值；
[0021]图2(b)是一个曲线图，示出了光电流在120nm的最佳厚度处增加了 3倍，使得np增加几乎同样的量值；
[0022]图3 (a)是一个曲线图，示出了根据ITO的若干厚度和多个控制层的波长的外量子效率(EQE)；
[0023]图3(b)是一个曲线图，示出了根据ITO的若干厚度和多个控制层的波长的透射百分比；
[0024]图3(c)示出了测定的太阳模拟器光谱，该太阳模拟器光谱展现了氙灯Xe以及NREL上报的mc-Si外部量子效率(EQE)的特征，以用稳压二极管来测量太阳模拟器强度；
[0025]图3(d)示出了在本研究中用作透明NIR反射镜的分布布拉格反射器的测量和计算的反射率；
[0026]图4a和图4b示出了置于一个“玫瑰”图片前面以便突出显示该全组装的器件的透明度的多个太阳能电池阵列；
[0027]图4c示出了连接到一个IXD时钟上的一个太阳能电池阵列；
[0028]图4d和图4e示出了置于一个“山”图片前面以便突出显示该全组装的器件的透明度的一个太阳能电池阵列的一个可替代的实施例；
[0029]图4(f)是与一个IXD时钟连接的一个全电路组件的一张图片。
[0030]图5(a)是一个曲线图，示出了根据一个SnPc器件的波长的外量子效率(EQE)；[0031]图5(b)是一个曲线图，示出了根据一个SnPc器件的波长的透射百分比；
[0032]图6 (a)是一个曲线图，示出了 SnPc设计和ClAlPc设计之间的对照；
[0033]图6(b)是一个曲线图，示出了 ITO阴极厚度的效果；
[0034]图6 (C)和图6 (d)示出了根据没有NIR反射镜的阳极与阴极ITO厚度的透明OPV体系结构的平均可见透射率(AVT，左栏)和短路电流(右栏)的转移矩阵模拟；
[0035]图6 (e)和6 (f)示出了根据具有NIR反射镜的阳极与阴极ITO厚度的透明OPV体系结构的平均可见透射率(AVT，左栏)和短路电流(右栏)的转移矩阵模拟；
[0036]图7是具有包括一个供体和一个受体两者的混合层的一个器件的框图；
[0037]图8是一个串联器件的框图；
[0038]图9(a)和9(b)是曲线图，示出了可以被用来对一个串联器件进行优化的不同带隙；
[0039]图10(a)和10(b)是曲线图，示出了在此披露的若干实施例的多个实际效率限制；
[0040]图11是一个图表，示出了太阳光通量和人眼的适光响应；并且
[0041]图12是一个图表，示出了包括在此披露的一个光伏阵列的一个电子阅读器、智能手机和显不屏。
[0042]发明详述
[0043]在此描述的是改进的透明太阳能电池设计，例如，透明有机光伏器件(T0PV)。在此处使用的术语“透明”包含45%或以上的一个直通光束的平均可见透明度。在此处使用的术语“半透明”包含大约10%-45%的一个直通光束的平均可见透明度。一般来说，这些设计包括在可见光光谱外(例如，在紫外线(UV)和/或近红外(NIR)太阳光谱中)具有强大的吸收特性的多个分子活性层。这些器件可以包括多个选择性高反射性NIR以及宽频带的抗反射接触涂层。器件可以形成具有一个有机活性层(例如作为供体的酞菁氯化铝(ClAlPc)或SnPc)以及一个分子活性层(例如作为受体并且在UV和NIR太阳能光谱中具有峰吸收的C6tl)的异质结太阳能电池。用于这些活性层的其他合适的材料包括任何合适的酞菁染料、口卜啉染料、萘菁染料、碳纳米管或在可见光谱外具有吸收峰的分子激子材料。此类器件可以形成在一个串联结构中，该串联结构具有经由一个复合区连接的一个或多个子电池。此类器件可以被用在各种应用中，包括用在桌面显示器、膝上型计算机或笔记本计算机、平板计算机、手机、电子阅读器等中的多种刚性和柔性计算机显示屏。其他的应用包括钟表玻璃、汽车玻璃以及包括天窗玻璃和隐私玻璃的建筑玻璃。这些光伏器件可以用于有功功率发电，例如用于完全自供电的应用、以及电池充电(或电池寿命延长)。
[0044]此处叙述的近红外(NIR)被定义为在约650至约850纳米(nm)的范围中具有多个波长的光。此处叙述的紫外线(UV)被定义为具有小于约450纳米的多个波长的光。使用在NIR和UV中具有吸收的一个活性层允许使用选择性高反射的近红外反射镜涂层来优化器件性能，同时还允许可见光很好地透射通过该整个器件。在此处叙述的可见光被定义为具有人眼在从约450nm至约650nm对其有明显反应的多个波长的光。
[0045]在一个实施例中，这些器件在150nm的预先涂覆于玻璃基底上的带图案的氧化铟锡(ITO) (15Q/sq.)上制造。该ITO是电极的一种成分。用溶剂洗涤该IT0，并且随后在将其载入到一个高真空室(<lxlO?6Torr)之前在氧等离子体中加工30秒。在载入之前，通过真空升华对ClAlPc和C6tl进行了一次提纯。以购买时的状态使用了浴铜灵(BCP)和三氧化钥(Mo03)。MoO3是电极的另一种成分。经由速率为0.lnm/s的热蒸发,依次沉积MoO3(20nm)、ClAlPc (15nm)、C60 (30nm)、BCP (7.5nm)以及 IOOnm 厚的 Ag 阴极。使用 IOsccm 的氩气流(6mTorr)并以0.005-0.03纳米/秒的速度在低功率(7-25W)下将这些透明器件的顶部ITO阴极直接射频溅射到这些有机层上。这些阴极通过一个荫罩被蒸发，界定出一个I毫米(mm) xl.2mm的活性器件区域。在具有集中于800nm (200nm阻带)的波长周围的厚度在约0.1纳米/秒处，被用作透明NIR反射镜的一个近红外分布布拉格反射器(DBR)经由TiO2和SiO2的7个交替层的溅射单独地生长于石英上。预先涂覆在多个石英基底(1-side)上的宽频带抗反射(BBAR)涂层经由折射率匹配液被附装到这些DBR上以便减少额外的玻璃/空气界面反射。不需要参考样本，在带Cary EclipSe5000双光束分光光度计的垂直入射处获得了这些组装器件的透射数据。不需要太阳能失配校正(以供参考:失配因数估计为
1.05左右)，在所模拟的AM1.5G太阳能照明下在黑暗中对电流密度VS电压(J-V)的特征进行了测量，并且使用一个NREL校准的硅探测器收集了外量子效率(EQE)测量值。根据L.A.A皮德森、L.S.罗曼、及0.因格纳斯，应用物理杂志86，487 (1999) (L.A.A.Pettersson, L.S.Roman, and 0.1nganas, Journal of Applied Physics 86，487 (1999))的方法进行了光学干扰建模，其内容通过引用结合在此。通过分别将光电流以及EQE的幅值拟合为5±3nm以及10±5nm来估计ClAlPc和C6tl的激子扩散长度。
[0046]图1(a)示出了一个控制太阳能电池10的示意图。该控制太阳能电池包括一个基底11、一个阳极12、一个供体层13 (例如，ClAlPc)、一个分子活性层(例如，C6tl，担当受体层14)、以及一个阴极15。在本示例中，阳极15是不透明的,例如,银。图1(b)示出了一个全透明的太阳能电池20的示意图。该器件20通常包括一个透明基底21、一个阳极22、一个供体层23 (例如，ClAlPc)、一个分子活性层(例如，C6tl，充当受体层24)、以及一个阴极25。该供体层23和该受体层24在紫外线(UV)和近红外(NIR)光谱中具有多个吸收峰。在本示例中，该基底是石英。应该理解的是可以使用各种刚性和柔性基底。例如，该基底可以是玻璃、刚性或柔性聚合物(例如，一种屏幕保护膜或皮肤)，或者可以与其他层相结合，比如，封裝层、抗反射层等。在本示例中，该透明阳极22和阴极25是由导电氧化物形成的，例如，IT0/Mo03O应该理解的是该阳极22和阴极25可以由其他材料形成，比如，氧化锡、氟化锡氧化物、纳米管、聚乙烯(3，4-乙烯二氧噻吩)(PDOT)或PEDOT:PSS (聚乙烯(3，4-乙烯二氧噻吩)聚乙烯(苯乙烯磺酸盐)、掺镓氧化锌、掺铝氧化锌以及具有适当透明性和传导性的其他材料。该器件20还可以包括一个近红外DBR26以及一个或多个宽频带抗反射(BBAR)涂层27。
[0047]图1(c)示出了图1(a)和图1(b)所示的这些活性层的消光系数k的一个曲线图。图1(d)是一个曲线图，示出了对于ITO的一系列厚度，图1(a)和图1(b)的ClAlPc-C6tl控制和透明电池的电流-电压(J-V)曲线。ClAlPc的吸收峰被置于NIR的范围中(大约740nm)。这允许结合一个NIR反射镜以及图1(a)和图1(b)中图示的太阳能电池性能和可见透射率的同步优化。应该理解的是供体和/或受体层在可见光谱外可以具有一个或多个吸收峰。在本示例中，ClAlPc在UV范围中还具有一个第二吸收峰。在表I中，提供了对各种器件性能的总结。
【权利要求】
1.一种光伏电池，包括: 一个透明基底， 一种覆盖该基底的第一活性材料，该第一活性材料在大于约650纳米的一个波长处具有一个吸收峰； 一种覆盖该基底的第二活性材料，该第二活性材料在可见光光谱外的一个波长处具有一个吸收峰； 一个透明阴极；以及 一个透明阳极。
2.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该阴极和该阳极中的至少一个被配置成用于将在该第一活性材料中的吸收最大化。
3.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该阴极和该阳极中的至少一个被配置成用于将在该第二活性材料中的吸收最大化。
4.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第一活性材料以及该第二活性材料位于不同的层中。
5.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第一活性材料在小于约450纳米的一个波长处具有一个第二吸收峰。
6.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第一活性材料是一种供体，并且该第二活性材料是一种受体。`
7.如权利要求1所述的光伏电池，进一步包括在近红外波长处反射的一个可见式透明反射镜。
8.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第一活性材料包括一种有机材料。
9.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第一活性材料包括以下至少一种:一种酞菁染料、一种卟啉染料、或一种萘菁染料。
10.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第一活性材料包括氯铝酞菁。
11.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第一活性层包括锡酞菁。
12.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第二活性层包括碳60(C6tl)或一种奈米管中的至少一种。
13.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该第一和第二活性材料被配置成用于同多个柔性封装层一起使用。
14.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该光伏电池被结合在以下各项之一中，即:一个显示屏、一种钟表玻璃、汽车玻璃、或建筑玻璃。
15.—种光伏阵列,包括根据权利要求1所述的多个电气互连的光伏器件。
16.如权利要求1所述的光伏电池，其中，该透明基底是柔性的。
17.一种光伏电池，包括: 一个透明基底； 一种覆盖该基底的第一活性材料，该第一活性材料在大于约650纳米的一个波长处具有一个吸收峰； 一种覆盖该基底的第二活性材料，该第二活性材料在大于约650纳米或小于约450纳米的一个波长处具有一个吸收峰；一个透明阴极；以及 一个透明阳极。
18.一种光伏电池，包括: 一个复合区，该复合区被布置在一个第一和第二子电池之间，该第一和第二子电池各自在可见光光谱外的一个波长处具有多个吸收峰；以及一个透明阴极；以及一个透明阳极。
19.如权利要求18所述的光伏电池，其中，该光伏电池是透明的或半透明的。
20.一种制造光伏电池的方法，该方法包括: 在一个基底上制造一种第一电极材料，该电极材料以及该基底对于可见光是透明的；制造至少一个层，该层具有在大于约650纳米的一个波长处有一个吸收峰的一种第一活性材料以及在小于约450纳米的一个波长处有一个吸收峰的一种第二活性材料；并且制造对于可见光是透明的一种第二电极材料。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括为该第一或第二电极中的至少一个选择一个厚度，这样使得在该红外吸收活性层中的近红外光的吸收最大化。
22.如权利要求20所述的方法，进一步包括制造用于近红外光的一个多层反射镜。
23.一种制造光伏电池的方法，该方法包括: 制造一个第一和第二子电池，该第一和第二子电池各自在可见光光谱外的多个波长处具有多个吸收峰； 制造一个复合区，该复合区被布置在该第一与第二子电池之间；以及 制造一个透明阴极和一个透明阳极。
24.如权利要求23所述的方法，其中该光伏电池是透明或半透明的。
25.—种发电的方法,该方法包括: 提供一个光伏电池，该光伏电池包括: 一个透明基底， 一种覆盖该基底的第一活性材料，该第一活性材料在大于约650纳米的一个波长处具有一个吸收峰； 一种覆盖该基底的第二活性材料，该第二活性材料在可见光光谱外的一个波长处具有一个吸收峰； 一个透明阴极；以及 一个透明阳极； 将该光伏电池暴露于一个光源。
【文档编号】H01L51/42GK103534831SQ201280009604
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年1月25日 优先权日:2011年1月26日
【发明者】弗拉基米尔·布洛维奇, 里查德·罗亚尔·伦特 申请人:麻省理工学院