有机太阳能电池
阅读：203发布：2020-05-11
专利汇可以提供有机太阳能电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种有机 太阳能 电池 ，其通过在 电子 传输层和/或空穴传输层中设有金属纳米颗粒，通过金属纳米颗粒的 表面 等离子体 效应增强了光的吸收，使器件的光 电流 增加，从而明显提高有机 太阳能电池 器件的光电转化效率；同时，由于金属纳米颗粒位于电子传输层和/或空穴传输层内，避免了与光 活性层 的直接 接触 ，从而不影响该器件 电阻 、开路 电压 、填充因子等电学性质。，下面是有机太阳能电池专利的具体信息内容。
1.一种有机太阳能电池，其特征在于，包括：
第一电极；
第二电极；
光活性层，介于所述第一电极和第二电极之间；
电子传输层，介于所述第一电极和光活性层之间；
空穴传输层，介于所述第二电极和光活性层之间，
其中，所述电子传输层和/或空穴传输层中设有金属纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述金属纳米颗粒选自银、金、铜、铂、铁、钴、镍或钛中一种或多种的合金。
3.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层或空穴传输层为过渡金属氧化物、氧化锌、氧化钛或PEDOT。
4.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述光活性层满足该光活性层的吸收峰与所述金属纳米颗粒的表面等离子体共振峰一致。
5.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层包括第一电子传输层和第二电子传输层，所述金属纳米颗粒位于所述第一电子传输层和第二电子传输层之间并形成金属纳米颗粒薄膜。
6.根据权利要求5所述的有机太阳能电池，其特征在于，制作所述电子传输层的步骤包括：
（1）制作第一电子传输层；
（2）在第一电子传输层上形成金属纳米颗粒薄膜；
（3）在金属纳米颗粒薄膜上形成第二电子传输层。
7.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层包括第一空穴传输层和第二空穴传输层，所述金属纳米颗粒位于所述第一空穴传输层和第二空穴传输层之间并形成金属纳米颗粒薄膜。
8.根据权利要求7所述的有机太阳能电池，其特征在于，制作所述空穴传输层的步骤包括：
（1）制作第一空穴传输层；
（2）在第一空穴传输层上形成金属纳米颗粒薄膜；
（3）在金属纳米颗粒薄膜上形成第二空穴传输层。
9.根据权利要求1所述的有机太阳能电池，其特征在于，所述金属纳米颗粒的制作方法选自热蒸发、溅射、电子束沉积、化学合成或自组装。
有机太阳能电池
技术领域
背景技术
[0002] 有机太阳能电池由于成本低、质量轻、制备工艺简便、有机材料柔韧性好、材料来源广泛等优点而具有潜在的应用价值，是太阳能发展的新方向。
[0003] 目前，基于聚合物有机太阳能电池的转化效率已超过8％，尽管有机太阳能电池的研究取得了重大进展，但有机太阳能电池同目前应用领域占主导地位的无机太阳能电池相比，其主要问题仍然是光电能量转换效率较低。有机太阳能电池最佳的活性层的厚度在100-200nm之间，这样的薄层导致了较低的光吸收，从而成为光电转化效率低的一个重要因素。增加活性层的厚度会增加光吸收，但由于有机材料的载流子迁移率低及激子扩散长度短，会降低电荷的传输效率。
[0004] 如何在不增加活性层厚度的前提下提高电池的光电转化效率成为一个重要的研究课题。目前的光俘获技术有很多，包括：（1）微腔和光子晶体效应，（2）光学间隔（重新分配空间内的光分布），（3）引入一个周期性结构来增加光程长度，（4）表面等离子体激元共振效应等。其中，利用表面等离子体提高光吸收进而提高器件光电转化效率的方法已经得到了广泛的关注。
[0005] 表面等离子体是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波表面。金属纳米粒子在入射光的激励下，电子受光电场的驱动将发生集体的振荡，并与特定频率的光发生共振，形成所谓的局部表面等离子体共振，表面等离子体共振将引起有选择性的光子吸收，散射及局部电磁场的增强等效应。一般情况下,表面等离子体激元的能量会很快的转化成非辐射的热能而被损耗掉。因此，如何通过引入微纳结构达到波矢匹配去将表面等离子体激元的能量激发出来，提高器件的光吸收提取效率，具有重要的研究意义和广泛的应用前景。
[0006] 中国专利申请第201110068868.1号公开了一种太阳能电池，该太阳能电池在制作过程中，在太阳能电池背电极与光伏层之间制备出一层由金属纳米链组成的金属纳米薄膜，入射光经过光阳极和光伏层，被局域在金属纳米链表面，并形成横向传输的表面等离子体激元传输模式，因此大幅增长了入射光在光伏层的有效传输距离，从而提高太阳能电池对入射光的吸收效率，可大幅提高太阳能电池的光电转换效率。但是该技术的缺点在于：金属纳米薄膜与光伏层之间直接接触，易影响太阳能电池器件电阻、开路电压、填充因子等电学性质。
[0007] 有鉴于此，有必要提供一种改进的太阳能电池。
发明内容
[0008] 有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种有机太阳能电池，在提高器件光电转化效率的同时，不影响器件的电学性质。
[0009] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0010] 一种有机太阳能电池，包括：
[0011] 第一电极；
[0012] 第二电极；
[0013] 光活性层，介于所述第一电极和第二电极之间；
[0014] 电子传输层，介于所述第一电极和光活性层之间；
[0015] 空穴传输层，介于所述第二电极和光活性层之间，
[0016] 其中，所述电子传输层和/或空穴传输层中设有金属纳米颗粒。
[0019] 作为本发明的进一步改进，所述光活性层满足该光活性层的吸收峰与所述金属纳米颗粒的表面等离子体共振峰一致。
[0020] 作为本发明的进一步改进，所述电子传输层包括第一电子传输层和第二电子传输层，所述金属纳米颗粒位于所述第一电子传输层和第二电子传输层之间并形成金属纳米颗粒薄膜。
[0021] 作为本发明的进一步改进，制作所述电子传输层的步骤包括：
[0022] （1）制作第一电子传输层；
[0023] （2）在第一电子传输层上形成金属纳米颗粒薄膜；
[0024] （3）在金属纳米颗粒薄膜上形成第二电子传输层。
[0025] 作为本发明的进一步改进，所述空穴传输层包括第一空穴传输层和第二空穴传输层，所述金属纳米颗粒位于所述第一空穴传输层和第二空穴传输层之间并形成金属纳米颗粒薄膜。
[0026] 作为本发明的进一步改进，制作所述空穴传输层的步骤包括：
[0027] （1）制作第一空穴传输层；
[0028] （2）在第一空穴传输层上形成金属纳米颗粒薄膜；
[0029] （3）在金属纳米颗粒薄膜上形成第二空穴传输层。
[0031] 与现有技术相比，本发明在电子传输层和/或空穴传输层中设有金属纳米颗粒，通过金属纳米颗粒的表面等离子体效应增强了光的吸收，使器件的光电流增加，从而明显提高有机太阳能电池器件的光电转化效率；同时，由于金属纳米颗粒位于电子传输层和/或空穴传输层内，避免了与光活性层的直接接触，从而不影响该器件串联电阻、开路电压、填充因子等电学性质，保证了器件的暗电流特性、开路电压、填充因子等参数保持不变。附图说明
[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033] 图1所示为本发明第一实施例中有机太阳能电池的结构示意图；
[0034] 图2为本发明实施例中金属纳米颗粒的电子显微镜图；
[0035] 图3a和图3b所示分别为本发明第一实施例中有机太阳能电池器件在100W/cm2的太阳光的照射下以及没有光照情况下所得到的I-V曲线图；
[0036] 图4所示为本发明第二实施例中有机太阳能电池的结构示意图；
[0037] 图5所示为本发明第三实施例中有机太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
[0038] 本发明实施例公开了一种有机太阳能电池，包括：
[0039] 第一电极；
[0040] 第二电极；
[0041] 光活性层，介于所述第一电极和第二电极之间；
[0042] 电子传输层，介于所述第一电极和光活性层之间；
[0043] 空穴传输层，介于所述第二电极和光活性层之间，
[0044] 其中，所述电子传输层和/或空穴传输层中设有金属纳米颗粒。
[0045] 本发明在电子传输层和/或空穴传输层中设有金属纳米颗粒，通过金属纳米颗粒的表面等离子体效应增强了光的吸收，使器件的光电流增加，从而明显提高有机太阳能电池器件的光电转化效率；同时，由于金属纳米颗粒位于电子传输层和/或空穴传输层内，避免了与光活性层的直接接触，从而不影响该器件电阻、开路电压、填充因子等电学性质。
[0046] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047] 图1所示为本发明第一实施例中有机太阳能电池的结构示意图。
[0048] 参图1所示，有机太阳能电池10包括一基材11，基材11可以是硬质基材，如玻璃或石英，也可以是柔性基材，如柔性高分子。可用来作为柔性基材的高分子材料包括（但不限于）：聚萘二甲酸乙二酯（PEN；polyethylene naphthalate）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET；polyethylene terephthalate）、聚酰胺（polyamide）、聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate）、聚碳酸酯（Polycarbonate）、及/或聚氨酯（polyurethane）。柔性基材可应用在连续制程上，例如网迭式涂布或迭层制程。此外，基材除了绝缘材质外，也可使用导电材质，例如钛、铝、铜、镍等金属材质。基材的厚度并无特别限定，可依照实际需要作适当的调整。
[0049] 基材11表面上设置有第一电极12。第一电极12为透明材质，以使辐射线可通过第一电极12到达光活性层14。优选的第一电极12材料为金属氧化物或含有掺杂物（doped）的金属氧化物，包括（但不限于）：氧化铟锡（indiumtinoxide,ITO）、氧化锡、掺氟氧化锡等。第一电极12可用任何传统的方法形成，例如气相沉积、溅镀等。
[0050] 第一电极12的表面形成有电子传输层13。电子传输层13为过渡金属氧化物、氧化锌、氧化钛或PEDOT
[0051] 电子传输层13上还形成有光活性层14，光活性层14至少包含有两种成分，包括电子给体与电子受体，其中电子给体优选为共轭高分子，电子受体优选为富勒烯（fullerene）。适当的共轭高分子包括（但不限于）：聚乙炔（Polyacetylene）、聚异苯并噻 吩（PITN；polyisothianaphthene）、聚噻 吩(PT；polythiophene)、聚吡咯（PPr；polypyrrole）；聚芴（PF；polyfluorene）、聚苯（PPP；poly（p-phenylene））、聚亚苯基乙烯（PPV；poly(phenylene vinylene)）的衍生物。适当的电子受体包括（但不限于）：
聚（氰基苯撑乙烯）、富勒烯如碳60及其官能化衍生物、有机分子、有机金属、无机纳米粒子。在一实施例中，光活性层14的成分包括P3HT:PCBM（Poly(3-hexylthiophene)：
(6,6)-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester）。
聚（氰基苯撑乙烯）、富勒烯如碳60及其官能化衍生物、有机分子、有机金属、无机纳米粒子。在一实施例中，光活性层14的成分包括P3HT:PCBM（Poly(3-hexylthiophene)：
(6,6)-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester）。
[0053] 光活性层14上还形成有空穴传输层15，空穴传输层15包括第一空穴传输层151和第二空穴传输层152，第二空穴传输层152位于第一空穴传输层151的上方，第一空穴传输层151和第二空穴传输层152优选为过渡金属金属氧化物、氧化锌、氧化钛或PEDOT。
[0054] 第一空穴传输层151和第一空穴传输层152之间还设有金属纳米颗粒薄膜16，其中的金属纳米颗粒优选为银、金、铜、铂、铁、钴、镍或钛中一种或多种的合金。光活性层14满足该光活性层14的吸收峰与金属纳米颗粒的表面等离子体共振峰一致。
[0055] 金属纳米颗粒的制作方法可以选自热蒸发、溅射、电子束沉积、化学合成或自组装。通过将金属纳米颗粒应用于有机太阳能电池器件中后，一方面，由于其金属纳米薄膜16的厚度很薄，不会对器件的电荷传输特性有明显影响；另一方面，由金属纳米颗粒引起的表面等离子体局域电场增强效应使得对入射光的吸收得到提高，电荷提取更加有效，从而得到了更高的光电流，提高了有机太阳能电池的光电转化效率。
[0056] 图2为本发明实施例中金属纳米颗粒的电子显微镜图。
[0057] 参图2所示，可以看出所合成的金属纳米颗粒为圆球状且分散均匀，颗粒大小为40nm左右。在较佳实施例中，合成该金属纳米颗粒的方法包括:将金属银置于真空设备中抽至较好的真空；使用热蒸发的方法以一定的速率沉积一定厚度的银，以形成金属纳米薄膜16。
[0058] 第二空穴传输层152上还设置有第二电极17，第二电极17的材质优选为不透光金属，例如Al、Ca/Al、Mg/Al、Mg/Ag、Cu、Au等。第二电极17通常是以蒸镀法沉积，但亦可用其他形式。
[0059] 上述有机太阳能电池10的制作方法主要包括以下步骤：
[0060] 步骤一：以透明导电玻璃为基材11，形成该有机太阳能电池器件的第一电极12。
[0061] 在透明玻璃衬底上涂布透明导电氧化物ITO薄膜，将形成的ITO薄膜作为该有机太阳能电池的第一电极12。将涂布有ITO的玻璃衬底放入超声水浴中，并分别利用丙酮、无水乙醇和去离子水作为溶剂对所述ITO薄膜各超声清洗20min，然后放入干燥箱中烘干。
[0062] 步骤二：在ITO薄膜上沉积电子传输层13。
[0064] 步骤三：将形成有电子传输层13的ITO衬底放入手套箱中，在所述电子传输层13上旋涂聚合物给体-受体混合溶液，得到光活性层14。
[0065] 将已经沉积有电子传输层13的ITO衬底放入充满氮气的手套箱中，在电子传输层13之上旋涂聚合物P3HT：PCBM混合溶液活性层，旋转速度以及旋涂时间可以根据需要设定，如旋涂时旋转速度可以为600rpm，旋涂时间为50s。然后在110℃下退火10min。
[0066] 步骤四：在所述光活性层14上制作介质层，形成该有机太阳能电池器件的空穴传输层15。
[0067] 具体地，首先将上述基片在移至真空蒸发舱内，将真空舱的真空度控制在-6 -62×10 Torr至5×10 Torr左右以0.05nm/sec蒸发速率蒸发6nm的MoO3层，以形成第一空穴传输层151，然后以0.01nm/sec蒸发速率蒸发银，得到尺寸为40nm左右的银纳米颗粒，并形成金属纳米颗粒薄膜16，然后以0.05nm/sec蒸发速率蒸发4nm的MoO3层，以形成第二空穴传输层152，第一空穴传输层151和第二空穴传输层152共同构成空穴传输层15。
[0068] 步骤五：在空穴传输层15上沉积预定厚度的金属材料，生成有机太阳能电池的第二电极17。
[0069] 具体地，在空穴传输层15之上沉积100nm厚的铝（Al），从而形成有机太阳能电池器件的第二电极17。Al的沉积速率保持在0.5nm/sec，且真空舱的真空度控制在-6 -62×10 Torr至5×10 Torr左右。
[0070] 图3a和图3b所示分别为本发明第一实施例中有机太阳能电池器件在100W/cm2的太阳光的照射下以及没有光照情况下所得到的I-V曲线图。
[0071] 由图3a可以看出，加入了金属纳米颗粒之后的有机太阳能电池器件的光电流和整体效率得到了有效的提高。
[0072] 由图3b可以看出，加入了金属纳米颗粒之后的有机太阳能电池器件的电学性质几乎没有改变。
[0073] 图4所示为本发明第二实施例中有机太阳能电池的结构示意图。
[0074] 参图4所示，有机太阳能电池20包括基材21、以及依次形成于基材21上的第二电极27、空穴传输层25、光活性层24、电子传输层23以及第一电极22。其中，电子传输层23包括第一电子传输层231和第二电子传输层232，第一电子传输层231和第二电子传输层232之间形成有金属纳米颗粒薄膜26。
[0075] 第二实施例与第一实施例相比，其主要区别在于金属纳米颗粒薄膜26设于电子传输层23之间，第二电极27为透明材质，第一电极22为不透光金属材质，其原理及制作方法同实施例一，故本实施例不再赘述。
[0076] 图5所示为本发明第三实施例中有机太阳能电池的结构示意图。
[0077] 参图5所示，与第一实施例相比，第三实施例中的有机太阳能电池30中，电子传输层33和空穴传输层中分别设有金属纳米颗粒薄膜38和36，其他结构及其原理和制作方法同实施例一，故不再赘述。
[0078] 综上所述，本发明在电子传输层和/或空穴传输层中设有金属纳米颗粒，通过金属纳米颗粒的表面等离子体效应增强了光的吸收，使器件的光电流增加，从而明显提高有机太阳能电池器件的光电转化效率；同时，由于金属纳米颗粒位于电子传输层和/或空穴传输层内，避免了与光活性层的直接接触，从而不影响该器件电阻等电学性质。
[0079] 应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0080] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
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