[发明专利]一种太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电器件领域，具体涉及一种具有新型有源层的太阳电池及其制备方法。

背景技术

    随着世界经济的发展，能源需求逐年增加，煤炭、石油等一次性能源日渐枯竭，而太阳能作为一种绿色环保的可再生能源越来越得到各国的重视。

经过50多年的发展，单晶硅太阳电池已经相当成熟，能量转换效率由最初的6%发展到现在的25%左右，逼近Shockley–Queisser的理论极限。同时多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜和碲化镉薄膜电池也得到了极大的发展，其中多晶硅、非晶硅电池在民用领域占据主导地位。但无机半导体太阳电池制备时需要的高纯度材料、高温加工过程和超净环境等导致制造成本上升，严重的制约了它的推广应用。

    有机薄膜太阳电池作为一种成本低廉、重量轻和柔性等特点得到了极大的关注。一般来说，有机太阳电池由玻璃衬底（1）、阳极（2）、阳极缓冲层（3）、有源层（4）、阴极界面层（5）和阴极（6）构成（如图1所示）。其中，对有源层（4）的结构研究是提高太阳电池效率的关键。

美国柯达公司的C. W. Tang在1986年借助无机半导体的PN结模式制备出效率达到1% 的平面异质结有机太阳电池（给体Donor和受体Acceptor结合形成异质结）。随后体异质结和染料敏化电池被相继提出并得到发展。这些电池都要求光生激子在扩散距离内迁移到给体/受体界面处，通过界面电势差促使激子离解为电子和空穴，电子由具有较高电子亲和能的材料接收并输运到阴极，空穴由具有较低电离势的材料接收并输运到阳极，从而形成光生电流。由于激子在有机材料中的扩散长度远远小于材料的光吸收厚度，从而限制了有效吸收太阳光的薄膜厚度。

    1995年俞刚等制成的共混体异质结MEH-PPV和C60互穿网络的太阳电池效率达到2.9%。这种结构中的给体和受体材料形成互穿的网络状结构，增大给体/受体（D/A）界面面积，异质结分散到整个有源层，光生激子能就近扩散到相应的D/A界面分离为电子和空穴，电子和空穴在各自对应的相中输运到电极形成光电流。这就是聚合物体异质结太阳电池[美国专利5331183(1992)和5454880(1995)]。

    体异质结结构能有效提高聚合物太阳电池的激子扩散效率，减少光生激子的复合概率，使得吸收光能以后产生的光生激子能有效的移到D/A界面分解为电子和空穴。由于共混体系异质结构中给体和受体可以看作相互掺杂，而掺杂会导致对材料结晶结构的破坏，光生载流子主要在分子内的共价键上移动，在分子间的迁移比较困难，导致电子和空穴在迁移过程中的复合，明显降低共混体系中两相材料的迁移率，减少光生电流和降低填充因子。

    发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种新型太阳电池及其制备方法。该太阳电池的有源层结构特殊，使得光生激子能就近扩散到D/A界面分解为电子和空穴，提高激子分解效率；同时保证电子和空穴在各自结晶结构内迁移，提高载流子迁移率。将该有源层代替常规有机太阳电池的有源层，经过厚度等的优化设计可以提高有机太阳电池的效率。

本发明的技术方案是：

一种太阳电池，如图2所示，包括玻璃衬底层和在玻璃衬底层上依次贴合的阳极层、阳极缓冲层、有源层、阴极界面层和阴极层，所述有源层由垂直于玻璃衬底层排列的多个給体材料层和多个受体材料层组成，该給体材料层和受体材料层交替贴合，且一个給体材料层和与其贴合的一个受体材料层的厚度a小于等于200nm。（所述交替贴合是指在每个給体材料层两侧贴合有受体材料层或者每个受体材料层两侧贴合有給体材料层，如图3所示）

所述給体材料层为共轭聚合物层，所述受体材料层为C60及其衍生物或C70及其衍生物层。

所述給体材料层优选为聚3-已基噻吩层，所述受体材料层优选为[6,6]-苯基-C 61-丁酸甲酯层。

所述有源层的厚度b优选为90nm-110nm。

所述阳极层优选为氧化铟锡层（也可称之为ITO层）；所述阳极缓冲层优选为30nm-40nm的复合层（也可称之为PEDOT:PSS层），其中所述复合层是聚(3,4-二氧基噻吩)与聚(苯乙烯磺酸)按照重量比为1:6组成； 所述阴极界面层优选为0.9nm-1.1nm的氟化锂层；所述阴极层优选为90nm-110nm的铝层。

聚(3,4-二氧基噻吩)简称为PEDOT，聚(苯乙烯磺酸)简称为PSS。