本实用新型涉及有机光电器件技术领域，具体涉及一种大面积图案化有机太阳能电池。
背景技术：
随着科技的进步和社会的发展，全球对能源的需求也是与日俱增，由于传统的化石燃料面临着枯竭的危险，加之传统的化石燃料的大量使用所带来的环境污染的问题仍在进一步恶化，太阳能电池引起了科学界的深入研究。同时，有机太阳能电池相比于无机硅基太阳能电池的生产成本更加低廉、制备工艺简单、可实现卷对卷加工、良好的柔韧性等诸多的特点而备受关注。
国家纳米科学中心的魏志祥研究员采用三元体系(PTB7-Th、P-DTS(FBTTH2)2以及PC71BM)共混，以邻二甲苯作为绿色溶剂，制备出高效率的270nm左右的厚膜有机太阳能电池器件，小面积的器件能量转化效率高达10.78％；采用窄缝涂布法制备的有效面积为1.25cm2的大面积柔性器件能量转化效率8.28％；在有效面积高达20cm2的大面积柔性模组器件能量转化效率仍然能够保持在5％以上，为制备大面积的有机太阳能电池打下了坚实的基础(Advanced Science News，2017，DOI：10.1002/smll.201700388)。韩国化学研究所用BDT2和PC71BM的混合溶液作为活性层制备出了有效面积高达77.8cm2的大面积有机太阳能电池模组器件，器件的性能参数为Voc＝10.0V；Jsc＝1.08mA/cm2；FF＝0.69；PCE＝7.45％(Advanced Energy Material，2016，DOI：10.1002/aenm.201600228)，其制备的大面积模组器件的性能参数处于非常领先的位置。
目前，有机太阳能电池的发展十分迅速，高效率的小面积有机太阳能电池器件大多采用ITO(氧化铟锡)作为透明的导电阳极，其转化效率已经突破14％(Science Bulletin，2017)。但是，以ITO作为透明导电电极时存在导电性差的缺点。因此，在制备大面积有机太阳能电池时，合理的设计电极的图案使电极能够更为高效的收集电荷，从而提高电池的转化效率。
实验室当前所采用的有机太阳能电池器件的图案多为五指形条状的结构，该形状在制备小面积有机太阳能电池时应用十分广泛，但是在制备大面积有机太阳能电池时，却存在电极之间的距离较长，再加上ITO在大面积情况下的方块电阻较大，存在电极对电荷的收集效率低等问题。从以上分析可以得出在制备大面积有机太阳能电池时，需要对电极的形状图案进行特殊的图案化设计，从而提高电极对电荷的收集效率。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于针对现有技术在大面积有机太阳能电池氧化铟锡透明电极导电性差，导致电极对电荷的收集效率低的不足，提供了一种大面积图案化有机太阳能电池。该大面积图案化有机太阳能电池能够缩短电荷运动到ITO透明电极的距离，提高电极对电荷的收集效率，提高太阳能电池的能量转化效率。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现。
一种大面积图案化有机太阳能电池，包括ITO玻璃基底、空穴传输层、有机活性层、电子传输层、金属阴极以及金属阳极；
电池分为阴极部分以及阳极部分；
所述阴极部分与阳极部分均在同一块的ITO玻璃基底上；
所述阴极部分位于电池器件的中间；所述阳极部分从三面包围阴极部分，且阳极部分不与阴极部分直接接触；阳极部分从三面包围阴极部分的设计，使电荷能够同时从三个方向被收集，缩短了电荷运动到电极上的距离，提高电荷对电极的收集效率；
所述阴极部分由下至上，依次包括ITO玻璃基底、空穴传输层、有机活性层、电子传输层以及金属阴极；
所述阳极部分由下至上，依次包括ITO玻璃基底以及金属阳极。
进一步地，所述空穴传输层的厚度为10～100nm。
进一步地，所述空穴传输层的材料为聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)与聚(苯乙烯磺酸)质量比1∶1的混合物。
进一步地，所述有机活性层的厚度为50～300nm。
进一步地，所述有机活性层的材料为电子给体材料和电子受体材料质量比1∶4～4∶1的混合物。
更进一步地，所述电子给体材料包括P3HT(聚-3己基噻吩)、PCDTBT(聚[[9-(1-辛基壬基)-9H-咔唑-2，7-二基]-2，5-噻吩二基-2，1，3-苯并噻二唑-4，7-二基-2，5-噻吩二基])、PTB7或PTB7-Th；
更进一步地，所述电子受体材料包括PCBM([6，6]-苯基C61丁酸甲酯，[6，6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester)或ITIC。
进一步地，所述电子传输层的厚度为5～20nm。
进一步地，所述金属阴极的厚度为80～100nm。
进一步地，所述金属阳极的厚度为80～100nm。
制备上述所述的一种大面积图案化有机太阳能电池的方法，包括如下步骤：
(1)在清洗干净的ITO玻璃基底上用匀胶机旋涂一层PEDOT：PSS水溶液后，置于加热台上加热烘干，得到空穴传输层/ITO玻璃基底结构；
(2)将有机活性层的材料溶于有机溶剂中，并加入添加剂，得到有机活性层溶液；将有机活性层溶液旋涂在空穴传输层/ITO玻璃基底结构上，置于加热台上加热烘干，得到有机活性层/空穴传输层/ITO玻璃基底结构；
(3)将有机活性层/空穴传输层/ITO玻璃基底结构从三面刮涂掉部分有机活性层和空穴传输层，漏出ITO玻璃基底，将需要制备阳极部分预留出来；
(4)将预留制备阳极部分的有机活性层/空穴传输层/ITO玻璃基底结构放在图案化掩膜版上，安装在手套箱蒸镀仓里进行抽真空操作后，在有机活性层上依次蒸镀电子传输层和金属阴极，在预留制备阳极部分蒸镀金属阳极，得到所述大面积图案化有机太阳能电池。
进一步地，步骤(1)中，所述PEDOT：PSS水溶液的固含量为1～20％。
进一步地，步骤(1)中，所述加热烘干是在150℃条件下加热10～30min。
进一步地，步骤(2)中，所述有机溶剂包括甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、氯仿或二硫化碳，优选为含卤素的有机溶剂。
进一步地，步骤(2)中，所述有机活性层的材料在有机活性层溶液中的浓度为0.1～60mg/ml。
进一步地，步骤(2)中，所述添加剂包括硫醇、氯萘或1，8-二碘辛烷，添加剂占有机活性层溶液的体积分数为0.1％～20％。
进一步地，步骤(4)中，所述图案化掩模版是指：掩模版上，对应电池结构的阳极部分与阴极部分为相应镂空图案。
图案化掩膜版的图纸绘制是采用美国Autodesk公司开发的专业的机械制图软件AutoCAD绘制而成，该软件具有适用范围广，操作简单灵活，加工制作精度高等优异的特点，掩膜版的切割误差范围在0.003mm以内，能够满足实验室对掩膜版加工定制的精度要求。掩膜版的图案化过程为：图案化掩膜版的图纸绘制采用美国Autodesk公司开发的专业的机械制图软件AutoCAD绘制而成，切割机采用德国进口LRKF P6060激光切割机，利用高能激光束完成精度复杂的切割，切割精度达到0.003mm，切割精度高，品质稳定。切割步骤：1、准备好钢板、铝框、红胶和胶带，钢板与铝框粘平整，保证钢板的张力和良好的平整度；2、把钢板放在激光机上，输入图形，编好程序并对准基点，根据板厚调好切割速度；3、激光切割钢片；4、钢片切割好后，打磨钢片的毛刺，并进行电解；5、QC环节，核对钢片开孔及外观的完整性。
进一步地，步骤(4)中，所述抽真空是抽真空至2×10-4Pa以下。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：
(1)本实用新型通过对大面积有机太阳能电池器件进行合理的图案化，在不增加器件制备成本的情况下，适当地改善ITO透明电极在大面积情况下方块电阻升高使电极对电荷的收集效率降低的不良影响，克服了ITO透明电极的方块电阻随器件面积的增大而逐渐升高的规律；
(2)本实用新型的大面积图案化有机太阳能电池能够缩短电荷运动到ITO透明电极的距离，提高电极对电荷的收集效率，提高大面积有机太阳能电池器件的能量转化效率。
附图说明
图1为实用新型具体实施方式的大面积有机太阳能电池器件的俯视图；
图2a为实用新型具体实施方式的大面积有机太阳能电池器件的阴极部分结构示意图；
图2b为实用新型具体实施方式的大面积有机太阳能电池器件的阳极部分结构示意图；
图3为普通大面积有机太阳能电池器件的示意图；
图4为实施例1的大面积有机太阳能电池器件与普通电池器件的J-V曲线图；
图5为实施例2的大面积有机太阳能电池器件与普通电池器件的J-V曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本实用新型技术方案作进一步详细的描述，但本实用新型的保护范围和具体实施方式不限于此。
具体实施方式中，本实用新型的大面积图案化有机太阳能电池的俯视图如图1所示，包括ITO玻璃基底3、空穴传输层4、有机活性层5、电子传输层6、金属阴极7以及金属阳极8；
电池分为阴极部分2以及阳极部分1；
阴极部分2与阳极部分1均在同一块的ITO玻璃基底3上；
阴极部分2位于电池器件的中间；阳极部分1从三面包围阴极部分2，且阳极部分1不与阴极部分2直接接触；阳极部分1从三面包围阴极部分2的设计，使电荷能够同时从三个方向被收集，缩短了电荷运动到电极上的距离，提高电荷对电极的收集效率；
阴极部分2由下至上，依次包括ITO玻璃基底3、空穴传输层4、有机活性层5、电子传输层6以及金属阴极7，示意图如图2a所示；
空穴传输层4的厚度为10～100nm；有机活性层5的厚度为50～300nm；
电子传输层6的厚度为5～20nm；金属阴极7的厚度为80～100nm；
阳极部分1由下至上，依次包括ITO玻璃基底3以及金属阳极8，示意图如图2b所示；金属阳极8的厚度为80～100nm。
实施例1
一种大面积图案化有机太阳能电池，俯视图参见图1；
阴极部分2的示意图参见图2a，其中，空穴传输层4的厚度为40nm，材料为PEDOT∶PSS(1∶1，w/w)；有机活性层5的厚度为100nm，活性层给体材料为聚3-己基噻吩(P3HT)，受体材料为PCBM，给体材料与受体材料的质量比为1∶0.8；电子传输层6的厚度为10nm；金属阴极7的厚度为100nm；
阳极部分1的示意图参见图2b，其中，金属阳极8的厚度为100nm。
普通电池器件各层的材料与厚度和大面积图案化有机太阳能电池相同，不同在于普通电池器件的阳极为条状结构(结构示意图如图3所示)。
对大面积图案化有机太阳能电池器件进行电流密度与电压的性能测试，测试条件为标准AM1.5G太阳光模拟灯测试系统，测试温度为25℃。测量得到大面积有机太阳能电池器件与普通电池器件的J-V曲线图如图4所示，其中曲线T为实施例1的图案化电池器件的J-V曲线，曲线P为普通电池器件的J-V曲线。
实施例1的图案化电池器件与普通电池器件的性能对比结果如表1所示。
表1 图案化电池器件与普通电池器件的性能对比结果
由表1和图4可知，图案化器件的串联电阻明显减小，从而使得图案化器件的短路电流从6.33mA/cm2升高到6.61mA/cm2；填充因子从41.09％升高到46.07％；能量转化效率从1.59％升高到1.86％，充分说明对器件进行特殊的图案化处理可以提高器件的转化效率。
实施例2
一种大面积图案化有机太阳能电池，俯视图参见图1；
阴极部分2的示意图参见图2a，其中，空穴传输层4的厚度为40nm，材料为PEDOT∶PSS(1∶1，w/w)；有机活性层5的厚度为100nm，活性层给体材料为PTB7-Th，受体材料为PCBM，给体材料与受体材料的质量比为1∶1.5；电子传输层6的厚度为10nm；金属阴极7的厚度为100nm；
阳极部分1的示意图参见图2b，其中，金属阳极8的厚度为100nm。
普通电池器件各层的材料与厚度和大面积图案化有机太阳能电池相同，不同在于普通电池器件的阳极为条状结构(结构示意图如图3所示)。
对大面积图案化有机太阳能电池器件进行电流密度与电压的性能测试，测试条件为标准AM1.5G太阳光模拟灯测试系统，测试温度为25℃。测量得到大面积有机太阳能电池器件与普通电池器件的J-V曲线图如图5所示，其中曲线T2为实施例2的图案化电池器件的J-V曲线，曲线P2为普通电池器件的J-V曲线。
表2 图案化电池器件与普通电池器件的性能对比结果
由表2和图5可知，图案化器件的串联电阻明显减小，从而使得图案化器件的短路电流从11.72mA/cm2升高到12.56mA/cm2；填充因子从48.43％升高到44.93％；能量转化效率从4.16％升高到4.80％，充分说明对器件进行特殊的图案化处理可以提高器件的转化效率。
以上实施例仅为本实用新型较优的实施方式，仅用于解释本实用新型，而非限制本实用新型，本领域技术人员在未脱离本实用新型精神实质与原理下所作的任何改变、替换、组合、简化、修饰等，均应为等效的置换方式，均应包含在本实用新型的保护范围内。