[发明专利]起皱结构的柔性聚合物太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着全球能源危机和环境污染的加剧，将清洁的可再生能源——太阳能转化为电能的太阳能电池受到了世界各国的高度重视。在各种太阳能电池中，无机半导体太阳能电池由于光电转化效率较高、技术成熟，占领了目前绝大部分的太阳能电池市场。但是，无机半导体太阳能电池存在着诸多缺点，如成本高、能耗大、制作工艺复杂、非柔性、重量大、难以大面积制备等，从而限制了其在许多领域的大规模应用。

与传统无机太阳能电池相比，柔性聚合物太阳能电池成本低、制作简单、易于大面积制造，且柔性好，像纸币一样可任意弯曲，可以被安装在几乎任何地方，包括房屋和车辆的顶部、窗户或玻璃面板，而且具有漂浮特性，使得其能够覆盖游泳池或水坝，减少蒸发，同时也产生能量，因此具有更加广泛的应用空间，是目前光伏领域的研究热点。目前柔性聚合物太阳能电池在实验室研究阶段，通过设计和控制光活化层（电子给体和电子受体）的化学结构，已经获得约10.0%的光电转化效率，接近或超过柔性无机太阳能电池的光电转化效率。但是较高光电转化效率的聚合物太阳能电池力学稳定性较差，因为聚合物太阳能电池为层合结构，且每层材料的弹性模量、刚度、延展性及膨胀系数都不一样，制备和使用过程中存在拉伸、弯曲或温差作用，容易引起功能层的断裂、裂纹产生与扩张及功能层间的脱粘等破坏。因而，聚合物太阳能电池的光电转化效率与力学稳定性多目标性能优化的矛盾成为聚合物太阳能电池研究领域急迫解决的问题之一。2012年，Yueh-Lin Loo研究小组通过对聚合物太阳能电池施加预先应变，使功能层在柔性基底表面起皱形成褶皱形貌，从而使入射光在光活化层内发生散射，增加光活化层的光吸收效率，从而提高光电转化效率，相对传统平展形貌，提高约37%。另外，2012年，Zhenan Bao研究小组通过对聚合物太阳能电池柔性基底施加预应力后再旋涂功能层，预应力除去后，功能层同样在柔性基底表面起皱形成褶皱形貌，研究结果表明，该结构聚合物太阳能电池在多次较大弯曲或拉伸形变量后，聚合物太阳能电池光伏性能基本不变，说明具有褶皱形貌功能层的太阳能电池具有较好的力学稳定性。由上分析可知，通过对聚合物太阳能电池施加预应变，使功能层在聚合物太阳能电池柔性基底表面起皱，有望解决聚合物太阳能电池光电转化效率与力学稳定性多目标性能优化矛盾的问题。但是目前该结构的聚合物太阳能电池光电转化效率相对较低（<2.0%），根源在于设计的结构不合理，且制备过程复杂，选求一种简单易行的方法设计制备一种新结构的柔性聚合物太阳能电池，以实现聚合物太阳能电池光电转化效率与力学稳定性多目标性能优化具有非常重要的意义。

发明内容

本发明针对聚合物太阳能电池光电转化效率与力学稳定难以同时提高的问题，提供了一种新结构的柔性聚合物太阳能电池及其制备方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种起皱结构的柔性聚合物太阳能电池，其特征是，所述太阳能电池具有起皱结构，其功能层为长程有序的波导结构（如图1所示），依次包括：阴极、空穴传输层、两层光活化层、电子传输层和金属阳极；其中，所述阴极为柔性透明电极，光活化层包括电子给体材料和电子受体材料。

所述的柔性聚合物太阳能电池，其特征是，所述阳极为金属Al、Ca、Mg、Li、Ag或In导电膜；电子传输层为LiF、TiO₂、ZnO、CrO_x、CuO_x、Cs₂CO₃、CdSe、MoO₃或In₂S₃膜；光活化层2为酞菁酮或聚噻吩类材料与PEDOT:PSS/石墨烯或富勒烯类粒子复合膜；光活化层1为酞菁酮或聚噻吩类材料与PEDOT:PSS/石墨烯或富勒烯粒子复合膜；空穴传输层为PEDOT:PSS、MoO₃、NiO,CrO_x、CrN_x或WO₃-V₂O₅膜；阴极为石墨烯/PEDOT:PSS复合膜。

所述的柔性聚合物太阳能电池，其特征是，所述阳极的厚度为50nm～500nm；电子传输层的厚度为10nm～50nm；光活化层2的厚度为10nm～50nm，电子给体与电子受体质量比为1:1.01～1.5；光活化层1的厚度为150nm～250nm，电子给体与电子受体质量比为1.0:1.1～1.5；空穴传输层的厚度为10nm～30nm；阴极的厚度为5nm～20nm。