[发明专利]太阳能电池及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种太阳能电池，尤其涉及一种有机小分子太阳能电池及其制备方法。

【背景技术】

太阳能电池是一种将光能转换为电能的光伏器件。自从1954年贝尔实验室报道了效率为4％的无机太阳能电池开始，半个世纪以来，太阳能电池获得了飞速的发展，在全球范围内都掀起来一场“绿色能源革命”。目前，基于单晶硅材料的太阳能电池已经可以达到25％的能量转换效率，已经接近了PN结光伏电池的最大效率极限。20世纪90年代以后，无机太阳能电池家族中又发展起来了砷化镓、碲化镉等等光伏器件。但是，直到今天，居高不下的成本是限制无机半导体太阳能电池大规模推广应用的首要问题。

最为廉价且有吸引力的太阳能电池材料非有机材料莫属。这一方面是由于有机材料本身价格比较低廉、其柔性性以及成膜性都比较高；另一方面，有机太阳能电池的加工过程相对无机电池较为简单，器件制作的成本也相对较低。同时有机太阳能电池还可以使用柔性衬底，具有便于携带、可卷曲的优势。因而，近二十年来，有机太阳能电池越来越受到学术界以及企业的关注。

有机太阳能电池的研究始于1958年，Kearns和Calvin将镁酞菁染料(MgPc)夹在两个不同功函数的电极之间，制成“三明治”结构，从而得到了200mV的开路电压，但是其短路电流输出则非常低，所以其能量转换效率也相对较低。这种单层有机太阳能电池结构，在1986年被C.W.Tang采用双层异质结结构所替代，得到了1％的能量转换效率。能量转换效率得到大幅提升的原因即是认为双层异质结结构提供一个高效的激子拆分的界面，也即是说双层异质结构使得中性的电子-空穴对拆分成自由载流子变得更加的容易。

在异质结有机小分子太阳能电池中，其光敏材料吸收太阳光之后产生激子，而激子是呈电中性的，因此光生激子必须迁移至给体受体异质结界面处才能高效地拆分成电子、空穴自由载流子，从而向外输出光电流。因此，异质结界面的激子拆分对于有机太阳能电池的转换效率有重要的影响。然而，激子在有机材料中的扩散长度是有限的，一般都在几十纳米之内，这样在有机太阳能电池器件中距离给体受体异质结界面较远处产生的激子就无法扩散到拆分界面而白白损失了。所以一般情况下，有机小分子太阳能电池的薄膜厚度都在几十纳米之内。但是，这样做的代价是牺牲了电池对太阳光的充分吸收。因为，较薄的有机小分子太阳能电池对于太阳光的吸收是不完全的。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能量转换效率较高的太阳能电池及其制备方法。

一种太阳能电池，包括：透明绝缘层；透明电极层，设于透明绝缘层上；纳米颗粒层，设于透明电极层上；第一光敏层，设于纳米颗粒层上；第二光敏层，设于第一光敏层上，第一光敏层和第二光敏层形成电子给体-电子受体异质结结构；缓冲层，设于第二光敏层上；及反射电极层，设于缓冲层上。

由于在沉积了纳米颗粒修饰的透明电极层表面粗糙不平，所以在纳米颗粒上沉积的第一光敏层的表面也变得粗糙不平，这就使得第一光敏层与第二光敏层的接触面积增大。给体-受体异质结界面是光生激子拆分的主要区域，在增加了异质结界面的接触面积之后，光生激子拆分的区域得到了扩展，使得更多的激子可以得到有效的拆分，并形成光电流输出。这样，即在不降低厚度、不牺牲光吸收效率的前提下提高了激子的拆分效率，从而最终提高异质结有机小分子太阳能电池的能量转换效率。

在优选的实施例中，第一光敏层由电子给体材料构成，该第二光敏层由电子受体材料构成。

在优选的实施例中，该电子给体材料为酞菁染料、菁染料、并五苯及卟啉化合物中的至少一种；该电子受体材料为PTCDA、C₆₀、C₇₀、碳纳米管、石墨烯、二奈嵌苯及其衍生物中的至少一种，或为以下无机纳米材料中的至少一种：CdSe，CdS，CdTe，TiO₂，ZnO，PbS及SnO₂。

在优选的实施例中，该纳米颗粒层包含金属纳米颗粒，该金属纳米颗粒为Au、Be、Co、Pd、Pt纳米颗粒中的至少一种。

在优选的实施例中，该纳米颗粒层包含小分子纳米颗粒，该小分子纳米颗粒为CuPc，NPB及C₆₀中的至少一种。

在优选的实施例中，该缓冲层的材料为BCP、Alq₃及LiF中的至少一种。

在优选的实施例中，该反射电极层为具有金属薄膜的电极，该金属薄膜为Al、Ca-Al合金、Ba-Al合金及Mg-Ag合金薄膜中的至少一种。