太陽能電池器件及其制備方法
【專利摘要】一種太陽能電池器件，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、空穴阻擋層、電子緩沖層及陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述空穴阻擋層的材料包括錸的氧化物及石墨，所述錸的氧化物選自二氧化錸、七氧化二錸、三氧化二錸及氧化二錸中的至少一種。該太陽能電池器件的能量轉換效率較高。此外，還提供了一種太陽能電池器件的制備方法。
【專利說明】太陽能電池器件及其制備方法
【【技術領域】】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種太陽能電池器件及其制備方法。
【【背景技術】】
[0002]太陽能電池器件由于具有廉價、清潔、可再生等優(yōu)點而得到了廣泛的應用。目前常用的太陽能電池器件結構包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、電子緩沖層及陰極?；钚詫拥募ぷ臃蛛x產生空穴和電子后，空穴到達陽極，電子到達陰極，從而被電極收集，形成有效的能量轉換。目前，傳統(tǒng)的太陽能電池的能量轉換效率較低。
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【發(fā)明內容】
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[0003]基于此，有必要提供一種能量轉換效率較高的太陽能電池器件及其制備方法。
[0004]一種太陽能電池器件，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、空穴阻擋層、電子緩沖層及陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述空穴阻擋層的材料包括錸的氧化物及石墨，所述錸的氧化物選自二氧化錸、七氧化二錸、三氧化二錸及氧化二錸中的至少一種。
[0005]在優(yōu)選的實施例中，所述空穴阻擋層的厚度為10nnT50nm。
[0006]在優(yōu)選的實施例中，所述錸的氧化物與所述石墨的質量比為10: f 1:5。
[0007]在優(yōu)選的實施例中，所述電子緩沖層的材料選自疊氮化銫、氟化鋰、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種。
[0008]在優(yōu)選的實施例中，所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
[0009]一種太陽能電池器件的制備方法，包括以下步驟:
[0010]在陽極表面上依次旋涂制備空穴緩沖層及活性層，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物；
[0011]將含有錸的氧化物及石墨的懸浮液旋涂在所述活性層的表面制備空穴阻擋層，所述錸的氧化物選自二氧化錸、七氧化二錸、三氧化二錸及氧化二錸中的至少一種；及
[0012]在所述空穴阻擋層表面依次蒸鍍制備電子緩沖層及陰極。
[0013]在優(yōu)選的實施例中，所述空穴阻擋層的厚度為10nnT50nm。
[0014]在優(yōu)選的實施例中，所述錸的氧化物與所述石墨的質量比為1:5~10:1。
[0015]在優(yōu)選的實施例中，旋涂制備空穴阻擋層時，轉速為500rpnT6000rpm，時間為5秒~60秒。
[0016]在優(yōu)選的實施例中，所述錸的氧化物與所述石墨的質量比為10: f 1:5。
[0017]上述太陽能電池器件及其制備方法，將錸的氧化物與石墨進行混合，配置成水溶液旋涂到活性層之上制備空穴緩沖層，錸的氧化物功函數(shù)在-5.SeV以下，與活性層的HOMO能級存在勢壘，空穴就被阻擋在活性層，從而向陽極方向傳輸，被陽極收集，提高了陽極收集空穴的效率，從而提高了光電轉換效率；石墨具有很強的導電性，有利于電子的傳輸，從而太陽能電池器件的能量轉換效率較高。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0018]通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。
[0019]圖1為一實施例的太陽能電池器件的結構示意圖；
[0020]圖2為一實施例的太陽能電池器件的制備方法的流程圖；
[0021]圖3為實施例1的太陽能電池器件及傳統(tǒng)的太陽能電池器件的電流密度與電壓關系圖。
【【具體實施方式】】
[0022]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。
[0023]請參閱圖1，一實施例的太陽能電池器件100包括依次層疊的陽極10、空穴緩沖層20、活性層30、空穴阻擋層40、電子緩沖層50及陰極60。
[0024]陽極10為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟的氧化錫玻璃(FT0)，摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。
[0025]空穴緩沖層20形成于陽極10表面?？昭ň彌_層20的材料為聚3，4_ 二氧乙烯噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鈉(PSS)`的混合物。其中PEDOT與PSS的質量比為2:1~6:1，優(yōu)選為6:1。空穴緩沖層20的厚度為20nnT80nm，優(yōu)選為40nm。
[0026]活性層30形成于空穴緩沖層20表面?；钚詫?0的材料為聚3_己基噻吩(P3HT)與富勒烯的丁酸甲酯衍生物(PCBM)的混合物。其中P3HT:PCBM的質量為1:0.5~1:4優(yōu)選為1:1?；钚詫?0的厚度為80nnT300nm，優(yōu)選為120nm。
[0027]空穴阻擋層40形成于活性層30表面?？昭ň彌_層40的材料包括錸的氧化物及石墨。錸的氧化物選自二氧化錸(Re02)、七氧化二錸(Re207)、三氧化二錸(Re2O3)及氧化二錸(Re2O)中的至少一種。錸的氧化物與所述石墨的質量比為10: f 1:5。空穴緩沖層40的厚度為10nm~50nm。
[0028]電子緩沖層50形成于空穴阻擋層40表面。電子緩沖層50的材料選自疊氮化銫(CsN3)、氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)及碳酸銫(Cs2CO3)中的至少一種，優(yōu)選為LiF。電子緩沖層50的厚度為0.5nnTl0nm,優(yōu)選為lnm。
[0029]陰極60形成于電子緩沖層50表面。陰極60的材料選自招(Al)、銀(Ag)、金(Au)及鉬(Pt)中的至少一種,優(yōu)選為Al。陰極60的厚度為80nnT300nm,優(yōu)選為150nm。
[0030]該太陽能電池器件100，將錸的氧化物與石墨進行混合，配置成水溶液旋涂到活性層30之上制備空穴緩沖層40，錸的氧化物功函數(shù)在-5.8eV以下，與活性層的HOMO能級存在勢壘，空穴就被阻擋在活性層30，從而向陽極10方向傳輸，被陽極10收集，提高了陽極10收集空穴的效率，從而提聞了光電轉換效率；石墨具有很強的導電性，有利于電子的傳輸，從而太陽能電池器件100的能量轉換效率較高。
[0031]需要說明的是，上述太陽能電池器件100還可以根據(jù)需要設置其他功能層。
[0032]請同時參閱圖2，一實施例的太陽能電池器件100的制備方法，其包括以下步驟:
[0033]步驟S110、在陽極10表面上依次旋涂制備空穴緩沖層20及活性層30。
[0034]陽極10為銦錫氧化物玻璃(ΙΤ0)、摻氟的氧化錫玻璃(FT0)，摻鋁的氧化鋅玻璃(AZO)或摻銦的氧化鋅玻璃(IZO)。
[0035]本實施方式中，對陽極10前處理包括去除陽極10表面的有機污染物及對陽極10進行等氧離子處理。將陽極10采用洗潔精、去離子水、丙酮、乙醇、異丙酮各超聲波清洗15min，以去除基底10表面的有機污染物；對陽極10進行等氧離子處理時間為5mirTl5min，功率為 10~50W。
[0036]空穴緩沖層20通過在陽極10表面旋涂含有空穴緩沖材料的溶液制備。旋涂的轉速為2000rpnT6000rpm，時間為IOs~30s。層空穴緩沖材料為聚3，4-二氧乙烯噻吩(PEDOT)與聚苯磺酸鈉(PSS)的混合物。其中PEDOT與PSS的質量比為2:1飛:1，優(yōu)選為6:1。含有空穴緩沖材料的溶液中空穴緩沖材料的質量濃度為1%~5%，優(yōu)選為1.3%，溶劑為水。旋涂后在100°C~200°C下加入15分鐘飛O分鐘，優(yōu)選在200°C下加熱30分鐘?？昭ň彌_層20的厚度為20nnT80nm,優(yōu)選為40nm。
[0037]活性層30由活性層溶液旋涂在空穴緩沖層20表面制成。旋涂的轉速為4000rpnT6000rpm,時間為IOs~30s?；钚詫尤芤褐谢钚詫硬牧系臐舛葹?mg/ml~30mg/ml,優(yōu)選為12mg/ml?；钚詫尤芤旱娜軇┻x自甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一種，優(yōu)選為氯苯?；钚詫硬牧蠟榫?-己基噻吩(P3HT)與富勒烯的丁酸甲酯衍生物(PCBM)的混合物。其中P3HT:PCBM的質量為1`:0.5~1:4優(yōu)選為1:1。旋涂活性層30在充滿惰性氣體的手套箱中進行，之后在50°C~200°C下退火5分鐘~100分鐘，或在室溫下放置24~48小時，優(yōu)選在200°C下退火15分鐘。活性層30的厚度為80nnT300nm，優(yōu)選為120nm。
[0038]步驟S120、將含有錸的氧化物及石墨的懸浮液旋涂在活性層30的表面制備空穴阻擋層40。
[0039]錸的氧化物選自二氧化錸(Re02)、七氧化二錸(Re207)、三氧化二錸(Re2O3)及氧化二錸(Re2O)中的至少一種。錸的氧化物與所述石墨的質量比為10:廣1:5。含有錸的氧化物及石墨的懸浮液中，錸的氧化物的質量濃度為1%~5%，石墨的質量濃度為0.5%~5%，溶劑為水。旋涂的轉速為500rpnT6000rpm，時間為5秒飛O秒。旋涂后干燥，得到的空穴阻擋層40的厚度為IOnm~50nm。
[0040]步驟S130、在活性層30表面依次蒸鍍制備電子緩沖層50及陰極60。
[0041 ] 電子緩沖層50形成于活性層30表面。電子緩沖層50的材料選自疊氮化銫(CsN3)、氟化鋰(LiF)、碳酸鋰(Li2CO3)及碳酸銫(Cs2CO3)中的至少一種，優(yōu)選為LiF。電子緩沖層50的厚度為0.5nnTl0nm,優(yōu)選為0.7nm。蒸鍍在真空壓力為3 X 10_3~2X 10_4Pa下進行，蒸鍛速率為 0.lnm/s^lnm/so
[0042]陰極60形成于電子緩沖層50表面。陰極60的材料選自招(Al)、銀(Ag)、金(Au)及鉬(Pt)中的至少一種,優(yōu)選為Al。陰極60的厚度為80nnT300nm,優(yōu)選為150nm。蒸鍍在真空壓力為3 X 10-3~2 X KT4Pa下進行,蒸鍍速率為lnm/s~10nm/s。
[0043]上述太陽能電池器件制備方法，空穴阻擋層由旋涂制備，一方面，旋涂工藝簡單可控，同時，活性層也是采用旋涂制備，因此，可使兩層的相容性得到加強；旋涂空穴阻擋層時使用的是水溶液，旋涂活性層時使用的是有機溶劑，二者不容易滲透，有利于界面分離，進而有利于電子的傳輸。
[0044]以下結合具體實施例對本發(fā)明提供的太陽能電池器件的制備方法進行詳細說明。
[0045]本發(fā)明實施例及對比例所用到的制備與測試儀器為:高真空鍍膜設備(沈陽科學儀器研制中心有限公司，壓強〈IX 10_3Pa)、電流-電壓測試儀(美國Keithly公司，型號:2602)、用500W氙燈(Osram)與AM 1.5的濾光片組合作為模擬太陽光的白光光源。
[0046]實施例1
[0047]本實施例制備的結構為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/Re207:石墨/LiF/Al的太陽能電池器件。
[0048]先將ITO進行光刻處理，剪裁成所需要的大小，依次用洗潔精，去離子水，丙酮，乙醇，異丙醇各超聲15min，去除玻璃表面的有機污染物；清洗干凈后對導電基底進行氧等離子處理，處理時間為5-15min，功率為10-50W ;在上述基底上旋涂質量分數(shù)為1.3%的PEDOT: PSS的水溶液制備空穴緩沖層，PEDOT與PSS的質量比為6:1，旋涂的轉速為3000rpm,時間為25s，旋涂后在200°C下加熱30分鐘，空穴緩沖層厚度為40nm ;接著旋涂活性層，活性層由濃度為12mg/ml的P3HT:PCBM溶液旋涂而成，溶劑為氯苯，其中P3HT與PCBM的質量為1:1，旋涂的轉速為5500rpm，時間為20s，旋涂后在200°C下退火5分鐘，活性層厚度為120nm ;旋涂含有Re2O7及石墨的懸浮液制備空穴阻擋層，懸浮液中Re2O7質量分數(shù)為1.5%,石墨的質量分數(shù)為2%,采用旋涂制備,轉速為4000rpm,時間為IOs,烘干后得到的空穴阻擋層的厚度為20nm ;蒸鍍電子緩沖層，材料為LiF，厚度為0.7nm，蒸鍍在真空壓力為5X10_4Pa下進行，蒸鍍速率為0.2nm/s ;蒸鍍陰極，材料為Al，厚度為150nm，蒸鍍在真空壓力為5X10_4Pa下進行，蒸鍍速率為3nm/s，最后得到所需要的聚合物太陽能電池。
[0049]請參閱圖3，所示為實施例1中制備的結構為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/Re207:石墨/LiF/Al的太陽能電池器件(曲線I)與傳統(tǒng)的結構為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太陽能電池器件(曲線2)的電流密度與電壓關系，表1所示為實施例1中制備的結構為IT0/PED0T:PSS/P3HT:PCBM/Re207:石墨/LiF/Al的太陽能電池器件與傳統(tǒng)的結構為ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太陽能電池器件的電流密度、電壓、能量轉換效率(Π )及填充因子數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的太陽能電池器件中各層厚度與實施例1制備的太陽能電池器件中各層厚度相同。
[0050]表1
[0051]
【權利要求】
1.一種太陽能電池器件，其特征在于，包括依次層疊的陽極、空穴緩沖層、活性層、空穴阻擋層、電子緩沖層及陰極，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物，所述空穴阻擋層的材料包括錸的氧化物及石墨，所述錸的氧化物選自二氧化錸、七氧化二錸、三氧化二錸及氧化二錸中的至少一種。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述空穴阻擋層的厚度為10nm~50nmo
3.根據(jù)權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述錸的氧化物與所述石墨的質量比為10:1~1:5。
4.根據(jù)權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述電子緩沖層的材料選自疊氮化銫、氟化鋰、碳酸鋰及碳酸銫中的至少一種。
5.根據(jù)權利要求1所述的太陽能電池器件，其特征在于:所述空穴緩沖層的材料為聚3，4- 二氧乙烯噻吩與聚苯磺酸鹽的混合物。
6.一種太陽能電池器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 在陽極表面上依次旋涂制備空穴緩沖層及活性層，所述活性層的材料為聚3-己基噻吩與富勒烯的丁酸甲酯的混合物； 將含有錸的氧化物及石墨的懸浮液旋涂在所述活性層的表面制備空穴阻擋層，所述錸的氧化物選自二氧化錸、七氧化二錸、三氧化二錸及氧化二錸中的至少一種；及 在所述空穴阻擋層表面依次蒸鍍制備電子緩沖層及陰極。
7.根據(jù)權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述空穴阻擋層的厚度為10nm~50nm。`
8.根據(jù)權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述錸的氧化物與所述石墨的質量比為10:廣1:5。
9.根據(jù)權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:旋涂制備空穴阻擋層時，轉速為SOOrpnT^OOOrpm,時間為5秒~60秒。
10.根據(jù)權利要求6所述的太陽能電池器件的制備方法，其特征在于:所述含有錸的氧化物及石墨的懸浮液中所述錸的氧化物的質量百分含量為1%~5%。
【文檔編號】H01L51/48GK103824941SQ201210468604
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月19日 優(yōu)先權日:2012年11月19日
【發(fā)明者】周明杰, 王平, 黃輝, 陳吉星 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司