專利名稱：一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有機(jī)光電器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
太陽能電池是將太陽輻射的光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。目前研究和應(yīng)用最廣泛的是無機(jī)的硅基(包括單晶硅、多晶硅、和非晶硅)太陽能電池，但是復(fù)雜的制備工藝、高昂的成本限制了它的廣泛應(yīng) 用。有機(jī)太陽能電池因其重量輕、工藝簡單、成本低、材料易得且性能易于調(diào)控、可集成在大面積和柔性襯底上等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。有機(jī)太陽能電池的工作過程可簡要概述如下在光照下，器件中的有機(jī)光活性層吸收輻照的光子能量產(chǎn)生光生激子(電子-空穴對)，光生激子分解產(chǎn)生自由載流子(電子和空穴)，電子和空穴分別向電子收集電極層和空穴收集電極層擴(kuò)散并被收集，最終在外電路中形成電流。由此可知，電子和空穴的收集是決定器件功率轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一。目前報道的有機(jī)太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到8%，但是這些效率是在小面積(一般小于20mm2)的原理性器件上獲得的。而有機(jī)太陽能電池要實現(xiàn)實用化，必須獲得高效率的大面積器件。目前大部分有機(jī)太陽能電池采用透明導(dǎo)電金屬氧化物，如銦錫氧化物(indium tin oxides，IT0)，作為器件的空穴收集電極層，所用的導(dǎo)電金屬氧化物面電阻較大(一般大于10 Q )。在采用透明導(dǎo)電金屬氧化物作為大面積有機(jī)太陽能電池的空穴收集電極層時，透明導(dǎo)電金屬氧化物的電阻使大面積器件的串聯(lián)電阻隨器件面積增大而顯著增大，造成光生載流子在收集過程中損失增大，導(dǎo)致大面積器件的功率轉(zhuǎn)換效率隨器件面積增大迅速下降。為了改善大面積有機(jī)太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率，有效降低空穴收集電極層的電阻是必要的途徑之一，比如在器件的空穴收集電極層四周采用真空熱蒸發(fā)工藝沉積技術(shù)沉積一層金屬Al輔助電極。這種方法在提高相對較小面積器件的功率轉(zhuǎn)換效率上有一定效果，但是這種方法無法降低大面積器件中有效面積內(nèi)部空穴收集電極層的電阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有大面積有機(jī)太陽能電池采用透明金屬氧化物作為器件的空穴收集電極層，導(dǎo)致空穴收集電極層的電阻較大，進(jìn)而導(dǎo)致大面積器件的功率轉(zhuǎn)換效率降低的問題，提供一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法。一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括襯底層、空穴收集電極層、金屬網(wǎng)格輔助電極層、陽極緩沖層、有機(jī)光活性層、陰極緩沖層和電子收集電極層；所述襯底層上生長空穴收集電極層，所述空穴收集電極層上沉積金屬薄膜，在金屬薄膜上刻蝕金屬網(wǎng)格輔助電極層，在所述金屬網(wǎng)格輔助電極層上依次生長陽極緩沖層、有機(jī)光活性層、陰極緩沖層和電子收集電極層；所述金屬網(wǎng)格輔助電極層的厚度為20-200nm，金屬網(wǎng)格輔助電極層的材料為金屬Cr或Ag?；谝环N大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法由以下步驟實現(xiàn)
步驟一、在襯底上采用直流磁控濺射法沉積空穴收集電極層；步驟二、在步驟一所述的空穴收集電極層上采用直流磁控濺射法沉積一層金屬薄膜，采用濕法刻蝕工藝在金屬薄膜上刻蝕金屬網(wǎng)格輔助電極層；步驟三、在步驟二所述的金屬網(wǎng)格輔助電極層依次沉積陽極緩沖層、有機(jī)光活性層和陰極緩沖層；
步驟四、在步驟三所述的陰極緩沖層上采用真空熱蒸發(fā)工藝沉積電子收集電極層。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)在空穴收集電極層上加入了金屬網(wǎng)格輔助電極層，可有效降低空穴收集電極層的電阻，減少光生載流子在收集過程中的損失，改善光生載流子的收集效率，提高器件的短路電流、填充因子以及功率轉(zhuǎn)換效率。


圖I為本發(fā)明所述的大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中I、襯底，2、空穴收集電極層，3、金屬網(wǎng)格輔助電極層，4、陽極緩沖層，5、有機(jī)光活性層，6、陰極緩沖層，7、電子收集電極層；圖2為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2中的金屬輔助電極示意圖；圖3為具體實施方式
三中所述的本發(fā)明器件I所采用的金屬網(wǎng)格輔助電極示意圖；圖4為具體實施方式
三中所述的本發(fā)明器件2所采用的金屬網(wǎng)格輔助電極示意圖；圖5為圖2中所述的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件和本發(fā)明器件的I-V特性曲線示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖I說明本實施方式，一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括襯底層I、空穴收集電極層2、金屬網(wǎng)格輔助電極層3、陽極緩沖層4、有機(jī)光活性層5、陰極緩沖層6和電子收集電極層7 ;所述襯底層I上生長空穴收集電極層2，所述空穴收集電極層2上沉積金屬薄膜，在金屬薄膜上刻蝕金屬網(wǎng)格輔助電極層3，在所述金屬網(wǎng)格輔助電極層3上依次生長陽極緩沖層4、有機(jī)光活性層5、陰極緩沖層6和電子收集電極層7 ；所述金屬網(wǎng)格輔助電極層3的厚度為20-200nm，金屬網(wǎng)格輔助電極層3的材料為金屬Cr或Ag。本實施方式所述的金屬網(wǎng)格電極層由空穴收集電極層2四周的輔助電極(外線條)和空穴收集電極層2內(nèi)部的輔助電極(內(nèi)線條)兩部分組成。本實施方式中所述的襯底層I采用玻璃或聚合物材料襯底，如聚乙烯(polyethylene, PE)、聚對苯二甲酸乙二醇(polythylene terephthalate, PET);空穴收集電極層2采用透明導(dǎo)電金屬氧化物，如銦錫氧化物(indium tin oxides, IT0)、氟錫氧化物(fluorine-doped tin oxide, FT0)、招鋒氧化物(aluminum-doped zinc oxide,AZ0);金屬網(wǎng)格輔助電極層3材料采用金屬Cr或Ag;陽極緩沖層4采用金屬氧化物，如三氧化鑰(MoO3)、三氧化鎢(WO3)、五氧化二釩(V2O5),或采用有機(jī)物，如聚(3，4-乙撐二氧噻吩):聚(苯乙烯橫酸)(poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) :polystrrenesulfonate,PEDOT:PSS)、聚乙烯氧化物(polyethylene oxide,PE0);有機(jī)光活性層5采用金屬酞菁配合物，如酞菁銅(copper phthalocyanine,CuPc)、酞菁鋒(zinc phthalocyanine,ZnPc)、酞菁錫(tin phthalocyanine, SnPc),或聚噻吩衍生物,如 P3HT (poly (3-hexylthiophene)),或聚苯乙烯衍生物，如 MEH-PPV (poly (2-methoxy-5-2> -ethylhexyloxy)-I, 4-phenylenevinylene,或富勒烯衍生物，如 C60、PCBM([6, 6]-phenylC61-butyricacidmethylester)中的一種或多種材料，有機(jī)光活性層5可采用單層、多層或混合層結(jié)構(gòu)；陰極緩沖層6 米用有機(jī)物，如 BCP (bathocuproine)、Bphen (4, 7-diphenyl-l, 10-phenanthroline)、Alq3(tris (8-hydroxyquinoline) aluminum)、Alq3 :Mg、Bphen :Li,或采用金屬氧化物，如二氧化鈦(Ti02)、氧化猛(MnO);電子收集電極層7采用金屬Al、金屬Ca、Mg :Ag合金。
本實施方式所述的襯底層I的厚度為0. l_2mm ;空穴收集電極層2的厚度為20-400nm ;陽極緩沖層4的厚度為I-IOOnm ;有機(jī)光活性層5的厚度為20_500nm ;陰極緩沖層6的厚度為0. 5-50nm ;電子收集電極層7的厚度為10_200nm。
具體實施方式
二、本實施方式為具體實施方式
一所述的一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法的實現(xiàn)過程為首先，在襯底上采用直流磁控濺射法沉積空穴收集電極層2 ；其次，在空穴收集電極層2上采用直流磁控濺射法沉積一層金屬薄膜，采用濕法刻蝕工藝將金屬薄膜刻蝕成特定圖案的金屬網(wǎng)格輔助電極層3 ；然后，依次沉積陽極緩沖層4、有機(jī)光活性層5、陰極緩沖層6，以上各層可采用真空熱蒸發(fā)工藝或溶液旋涂工藝沉積；最后，在陰極緩沖層6上采用真空熱蒸發(fā)工藝沉積電子收集電極層7。本實施方式中所述的特定圖案的金屬網(wǎng)格輔助電極層3可以為矩形、正方形、三角形圖案等。所述的金屬網(wǎng)格輔助電極層3由空穴收集電極層2四周輔助電極(外線條)和內(nèi)部輔助電極(內(nèi)線條)兩部分組成。金屬網(wǎng)格輔助電極層3的厚度為20-200nm ;金屬網(wǎng)格輔助電極層3線條寬度為0. l_2mm，輔助電極外線條寬度和內(nèi)線條寬度可以相等。本實施方式中所述的襯底層I采用玻璃或聚合物材料襯底，如PE、PET ;空穴收集電極層2采用透明導(dǎo)電金屬氧化物，如IT0、FT0、AZ0 ;金屬網(wǎng)格輔助電極層3材料采用Cr或Ag ;陽極緩沖層4采用金屬氧化物，如Mo03、W03、V2O5,或采用有機(jī)物，如PED0T:PSS、PE0 ;有機(jī)光活性層5采用金屬酞菁配合物，如CuPc、ZnPc、SnPc，或聚噻吩衍生物，如P3HT，或聚苯乙烯衍生物，如MEH-PPV，或富勒烯衍生物，如C60、PCBM中的一種或多種材料，有機(jī)光活性層5可采用單層、多層或混合層結(jié)構(gòu)；陰極緩沖層6采用有機(jī)物，如BCP、Bphen、Alq3、Alq3 Mg、Bphen :Li,或采用金屬氧化物,如TiO2、MnO ;電子收集電極層7采用Al、Ca或Mg :Ag合金。本實施方式所述的襯底層I的厚度為0. l_2mm ;空穴收集電極層2的厚度為20-400nm ;陽極緩沖層4的厚度為I-IOOnm ;有機(jī)光活性層5的厚度為20_500nm ;陰極緩沖層6的厚度為0. 5-50nm ;電子收集電極層7的厚度為10_200nm。
具體實施方式
三、結(jié)合圖3和圖5說明本實施方式，本實施方式為具體實施方式
二所述的一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法的實施例本實施例米用實施方式一所述的本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)，
采用I. 2mm的玻璃作為襯底層1，洗凈襯底層I后，采用直流磁控濺射法在襯底層I上沉積ITO作為空穴收集電極層2，厚度為300nm ;采用直流磁控濺射法在空穴收集電極層2上沉積金屬Cr層，厚度為50nm ;采用濕法刻蝕工藝將Cr金屬層刻蝕成如圖3所示網(wǎng)格輔助電極結(jié)構(gòu)，獲得金屬網(wǎng)格輔助電極層3，其中Cr金屬網(wǎng)格輔助電極層3的外線條寬度3-1和內(nèi)線條寬度3-2分別為Imm和0. 2mm ;在空穴收集電極層2和金屬網(wǎng)格輔助電極層3上沉積MoO3作為陽極緩沖層4，厚度為5nm ;在陽極緩沖層4上依次沉積30nm CuPc和40nmC60作為有機(jī)光活性層5 ;在有機(jī)光活性層5上沉積Bphen作為陰極緩沖層6，厚度為8nm ;最后在陰極緩沖層6上沉積金屬Al作為電子收集電極層7,厚度為IOOnm ;以上陽極緩沖層4，有機(jī)光活性層5，陰極緩沖層6和電子收集電極層7都采用真空熱蒸發(fā)工藝沉積技術(shù)，真空度約為5X10_4Pa。本發(fā)明器件I的I-V特性曲線采用Keithley 2400數(shù)字源表進(jìn)行測量，測試在功率為lOOmW/c m2的氙燈照射下進(jìn)行。所有測量都是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的。所測得的I-V特性曲線為圖5中本發(fā)明器件I對應(yīng)的曲線。由圖中可知，本發(fā)明器件I的開路電壓與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件I和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2相當(dāng)，但是本發(fā)明器件I的短路電流、填充因子和功率轉(zhuǎn)換效率與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件I和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2相比均有顯著提高。
具體實施方式
四、結(jié)合圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式為具體實施方式
二所述的一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法的實施例本實施例米用實施方式一所述的本發(fā)明所述的電池結(jié)構(gòu)，采用I. 2mm的玻璃作為襯底層1，洗凈襯底層I后，采用直流磁控濺射法在襯底層I上沉積ITO作為空穴收集電極層2，厚度為300nm ;采用直流磁控濺射法在空穴收集電極層2上沉積金屬Cr層，厚度為50nm ;米用濕法刻蝕工藝將Cr金屬層刻蝕成如圖4所不網(wǎng)格輔助電極結(jié)構(gòu)，獲得金屬網(wǎng)格輔助電極層3，其中Cr金屬網(wǎng)格輔助電極層3的外線條寬度3-1和內(nèi)線條寬度3-2分別為Imm和0. 2mm ;在空穴收集電極層2和金屬網(wǎng)格輔助電極層3上沉積MoO3作為陽極緩沖層4，厚度為5nm ;在陽極緩沖層4上依次沉積30nm CuPc和40nmC60作為有機(jī)光活性層5 ;在有機(jī)光活性層5上沉積Bphen作為陰極緩沖層6，厚度為8nm ;最后在陰極緩沖層6上沉積金屬Al作為電子收集電極層7,厚度為IOOnm ;以上陽極緩沖層4，有機(jī)光活性層5，陰極緩沖層6和電子收集電極層7都采用真空熱蒸發(fā)工藝沉積技術(shù)，真空度約為5X10_4Pa。本發(fā)明器件2的I-V特性曲線采用Keithley 2400數(shù)字源表進(jìn)行測量，測試在功率為lOOmW/cm2的氙燈照射下進(jìn)行。所有測量都是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的。所測得的I-V特性曲線為圖5中本發(fā)明器件2對應(yīng)的曲線。由圖中可知，本發(fā)明器件2的開路電壓與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件I和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2相當(dāng)，但是本發(fā)明器件2的短路電流、填充因子和功率轉(zhuǎn)換效率與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件I和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2相比均有顯著提高。結(jié)合圖5，所有器件都采用厚度為I. 2mm玻璃作為襯底層1，厚度為300nm的ITO作為空穴收集電極層2，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件I的結(jié)構(gòu)為IT0/Mo03 (5nm)/CuPc (30nm)/C60 (40nm)/Bphen (8nm)/Al (IOOnm),現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2、本發(fā)明器件I和本發(fā)明器件2的結(jié)構(gòu)為ITO/Cr (50nm) /MoO3 (5nm) /CuPc (30nm)/C60 (40nm) /Bphen (8nm) /Al (IOOnm)。其中，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2、本發(fā)明器件I和本發(fā)明器件2的輔助電極結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3和圖4所示。表I為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件I、現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2和本發(fā)明器件I、本發(fā)明器件2的性能比較?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件I、現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)器件2和本發(fā)明器件I、器件2的有效面積(定義為空穴收集電極層2與電子收集電極層7的交叉部分面積)均為30 X 30mm2，器件的電流-電壓(I-V)特性曲線測試在功率為lOOmW/cm2的氙燈照射下進(jìn)行，所有器件的性能測試在大氣環(huán)境中同一條件下進(jìn)行。表I

權(quán)利要求
1.一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括襯底層(I)、空穴收集電極層(2)、金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)、陽極緩沖層(4)、有機(jī)光活性層(5)、陰極緩沖層(6)和電子收集電極層(7 );所述襯底層(I)上生長空穴收集電極層(2 )，所述空穴收集電極層(2 )上沉積金屬薄膜，其特征是，在金屬薄膜上刻蝕金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)，在所述金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)上依次生長陽極緩沖層(4)、有機(jī)光活性層(5)、陰極緩沖層(6)和電子收集電極層(7);所述金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)的厚度為20-200nm，金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)的材料為金屬Cr 或 Ag。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底層(O的材料采用玻璃或聚合物材料，襯底層(I)的厚度為O. l-2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述空穴收集電極層(2)的材料采用銦錫氧化物、氟錫氧化物或鋁鋅氧化物，空穴收集電極層(2)的厚度為 20_400nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陽極緩沖層(4)的材料采用金屬氧化物或有機(jī)物，陽極緩沖層(4)的厚度為l-100nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述有機(jī)光活性層(5)采用金屬酞菁配合物、聚噻吩衍生物、聚苯こ烯衍生物或富勒烯衍生物中的ー種或幾種的組合；所述有機(jī)光活性層(5)采用單層、多層或混合層結(jié)構(gòu)，有機(jī)光活性層(5)的厚度為20-500nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陰極緩沖層(6)采用有機(jī)物或金屬氧化物，陰極緩沖層(6)的厚度為O. 5-50nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電子收集電極層(7)采用金屬Al、金屬Ca或Mg Ag合金；電子收集電極層(7)的厚度為10_200nm。
8.基于權(quán)利要求I所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，該方法由以下步驟實現(xiàn) 步驟一、在襯底上采用直流磁控濺射法沉積空穴收集電極層(2);步驟ニ、在步驟一所述的空穴收集電極層(2)上采用直流磁控濺射法沉積ー層金屬薄膜，在金屬薄膜上刻蝕金屬網(wǎng)格輔助電極層(3);金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)的厚度為20-200nm; 步驟三、在步驟ニ所述的金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)上依次沉積陽極緩沖層(4)、有機(jī)光活性層(5)和陰極緩沖層(6); 步驟四、在步驟三所述的陰極緩沖層(6)上采用真空熱蒸發(fā)エ藝沉積電子收集電極層(7)。
步驟三所述的在金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)上依次沉積陽極緩沖層(4)、有機(jī)光活性層(5)和陰極緩沖層(6)，沉積方法為采用真空熱蒸發(fā)エ藝或溶液旋涂エ藝沉積。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在干，步驟ニ所述的金屬網(wǎng)格輔助電極層(3)線條寬度為O. l-2mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在干，步驟ニ所述的金屬網(wǎng)格輔助電極層的刻蝕方法為采用濕法刻蝕技術(shù)刻蝕。
全文摘要
一種大面積有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法，涉及有機(jī)光電器件技術(shù)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有大面積有機(jī)太陽能電池采用透明金屬氧化物作為器件的空穴收集電極層，導(dǎo)致空穴收集電極層的電阻較大，進(jìn)而導(dǎo)致大面積器件的功率轉(zhuǎn)換效率降低的問題，包括襯底、空穴收集電極層、金屬網(wǎng)格輔助電極層、陽極緩沖層、有機(jī)光活性層、陰極緩沖層和電子收集電極層。其中，空穴收集電極層采用直流磁控濺射法沉積，金屬網(wǎng)格輔助電極層首先采用直流磁控濺射法沉積一層金屬薄膜，然后采用濕法刻蝕工藝將金屬薄膜刻蝕成特定圖案的輔助電極，本發(fā)明可大大降低大面積有機(jī)太陽能電池的串聯(lián)電阻，從而提高器件的功率轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L51/46GK102637826SQ20121013705
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者初蓓, 李文連, 蘇子生 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所