[发明专利]一种光波转换与吸收材料共混的有机太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池器件，具体涉及一种光波转换与吸收材料共混的有机太阳能电池。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭和其大量使用所带来的一系列社会及环境问题，可再生的清洁能源的开发和利用已经成为当下一个急需探索的课题。太阳能光伏发电技术和产品在全球范围内得到了高速增长，成为最具潜力的清洁能源。这其中，有机太阳能电池由于其成本低廉，加工工艺简单，质量轻，可制成柔性可折叠产品等特点而备受关注。

如何高效地吸收各个波段的太阳光能量是各类太阳能电池都面临的一个重大问题。由于太阳光光谱的能量分布较宽，而一般的染料分子仅有一个主吸收峰，只有这个主吸收峰附近的波段才是强吸收波段。理论上，多结叠层太阳能电池可以有效地解决这个问题。但是，叠层太阳能电池仍然存在着诸多问题，例如更繁琐的加工工艺，难以找到合适的中间层材料等等。

相比于多结叠层太阳能电池，单结太阳能电池的结构和工艺更加简单，成本更加低廉。通过合理的结构设计，单结太阳能电池也能高效地吸收各个波段的太阳光能量。光致发光材料能吸收一定波长的光，并将吸收的能量转变成具有不同波长的光辐射。因此，在单结太阳能电池中引入合适的光致发光材料，可以吸收活性材料(即电子给体)不能充分吸收的太阳光波段，并将其转换成适合的波段由活性材料进行二次吸收，从而提高太阳光的利用效率。

光致发光材料包括下转换材料(通常为斯托克斯发光材料)和上转换材料。下转换发光材料受到高能量的光激发并发出低能量的光，由此将短波长的光转换成长波长的光。上转换材料则与之相反。因此，通过添加合适的转换材料，可以将吸收谱向两边扩展。目前已有一些相关的尝试，例如授权号CN201904364U的发明专利中，作者在第一n型半导体层与该第二电极之间设置一红外光转换层用以将红外光转换为可见光，并且提出该转换层的材料为镧系稀土元素。在公布号CN103378182A的发明专利中，作者在外表面设置一光波转换层，在完成光波吸收与转换之后，由金属材料将该转换光散射至太阳能电池中进行二次吸收。综上所述，目前的技术一般都是在原有的太阳能电池层状结构外增加一光波转换层。对于这种光波转换层和吸收层分离的结构，两层之间的距离会导致大量的转换光无法被吸收层有效利用。通过反射，折射或者散射的技术可以提高转换光的利用率，但是这样会造成结构和工艺的繁琐，另外光波在进一步的传播过程中可能存在大量的损耗。

在光波转换材料处于吸收材料的包围时，转换光能够尽可能多地被吸收材料利用。但是，目前的技术经常采用稀土金属或者其它金属的氧化物和硫化物作为转换材料(例如授权号CN201904364U的发明专利)。而这类材料的溶解性非常不理想，极难与吸收材料形成混合异质结结构。除此以外，这些无机材料经常形成几十纳米的颗粒，而有机太阳能电池的活性层有时也只有几十纳米厚。这种情况下，这些无机材料颗粒有可能穿透活性层而直接接触到两端的电子/空穴传输层甚至电极，导致整个电池器件的失效。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光波转换与吸收材料共混的有机太阳能电池，与以往采用单独分离的光波转换层的技术不同，本发明中光波转换材料和吸收材料共混形成均匀的单层混合结构，在共混层中，转换材料与吸光材料更加充分地接触，从而有效地吸收利用转换光。

为了达到上述目的，本发明技术方案为：

一种光波转换与吸收材料共混的有机太阳能电池，依次包括透明玻璃基底、透明前电极、空穴传输层、电子传输层、背电极，在空穴传输层和电子传输层之间设置有吸收共混层和电子受体层，或者仅设置有活性共混层，透明前电极为正极，背电极为负极。

所述的吸收共混层由光波转换材料和电子给体组成，其中电子给体同时又作为吸光材料。

所述的活性共混层则由光波转换材料、电子给体以及电子受体组成，其中电子给体作为吸光材料。

所述的光波转换材料为能够与电子给体以及电子受体材料溶解在同一种溶剂中的有机或高分子光致发光材料，包括配合物1号或者配合物2号，如下式所述：

所述电子给体包括P3HT，其结构式如下所示：

电子受体包括PCBM，其结构式如下所示：