一种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法，本发明通过层压技术巧妙地去掉了传统叠层结构中的中间连接层，使两种给体材料分别与一种受体材料形成了体异质结结构的子节电池，使两个有效层直接相连接,使叠层电池的效率能得到进一步的提高。由于中间连接层的消失，避免了光通过此层时的附带吸收，有利于器件对光的有效吸收；避免了它的存在而引入的电阻，有利于器件电学性能的提高；使叠层电池总的材料层数大大减少，结构大大简化，这使得制造工艺更简单，工艺流程更易控制，器件成本也因此大大降低。
【专利说明】一种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于微电子【技术领域】，具体涉及的是一种改进的并联叠层有机太阳能电池 的制备方法。
【背景技术】：
[0002] 随着能源需求的急剧增加和对环境保护的不断重视，人们对于清洁能源的需求越 来越大。太阳能取之不尽、用之不竭、廉价无污染，是人类能够自由加以利用的能源，而太阳 能电池是利用太阳能的有效手段。但占主导地位的硅基太阳能电池高昂的成本大大阻碍了 它的发展和普及。而有机材料具有成本低、光吸收系数高、质地轻、柔韧性好、制造工艺简单 等优点，使其在太阳能电池中的应用引起了人们的广泛关注。有机太阳能电池已成为最有 希望的下一代太阳能电池技术之一，也是世界太阳能研究领域的热点。
[0003] 但是有机材料的吸收光谱和太阳光谱不匹配引起的吸收损失和热损失等效率损 失机制的存在大大限制了有机太阳能电池性能的提高，叠层结构也因此备受人们的关注。 叠层结构在提高器件总体性能方面有着明显的优势。首先吸收损失可以通过叠层结构大大 降低。在叠层结构中，不同禁带宽度的有机材料前后叠加在一起，这些材料吸收谱之间形成 互补，可最大限度地增加材料对光的吸收谱宽度，减小材料吸收谱与太阳光谱的失配程度。 另外，热损失也可以通过叠层结构大大降低。在叠层结构中，可以利用禁带宽度较窄的材料 吸收能量较低的光子从而得到能量较低的激子，利用禁带宽度较宽的材料吸收能量较高的 光子从而得到能量较高的激子，所以材料吸收光子后形成的热载流子的能量会降低，从而 大大降低热载流子到激子弛豫过程中的热损失。
[0004] 但是传统的叠层太阳能电池结构也有着明显的缺点。在传统的叠层结构中，各个 子节电池之间必须通过中间层相连而组成一个整体。这种结构设计存在明显的缺陷。首先， 入射光从一个子节电池进入另外一个子节电池前必须经过中间连接层，因此中间连接层对 光的吸收不可避免，这会降低器件的性能。为了增加光的有效吸收需要中间连接层尽量透 明，这对其光学性质提出了十分苛刻的要求。另外，中间连接层还要保证两个子节电池在电 学上有效相连，因此需要中间层电阻尽量低，这也对其电学性能提出了要求。而提高中间连 接层的光学性能和电学性能在实际中往往是相矛盾的。此外，传统叠层结构中各个子节电 池间简单叠加的方式会使器件所含材料层数急剧增加。器件总的层数不仅包括各个子节电 池本身固有的层数还包括中间连接层的层数，而在实际应用中，中间连接层通常至少包括 两层。这么多的材料层数使器件结构变得复杂，制作工艺难度也大大增加。这些缺点最终都 会增加器件制作的工艺难度和成本，进而使有机太阳能电池的成本优势被削弱甚至丧失。
[0005] 为了克服传统叠层电池所面临的这些问题，我们提出了一种简单的有机叠层太阳 能电池结构（已申请专利）。我们利用了有机太阳能电池的光电转换过程依赖于给体材料 和受体材料界面这一特点，使两种给体材料共用同一种受体材料，从而巧妙地去掉了传统 叠层结构中的中间连接层，使CuPc (酞菁铜）材料与PCBM(富勒烯的一种衍生物）材料形 成双层异质结电池，CuPc吸光所产生的激子可以有效地在CuPc/PCBM界面分离进而被电极 收集；同时PCBM与P3HT (-种3-己基噻吩的聚合物）材料形成体异质结电池，P3HT吸光 产生的激子在分散于混合层的PCBM:P3HT界面分离，进而被电极收集。我们把这种结构称 为简单并联叠层有机太阳能电池结构。
[0006] 然而这种结构并非完美，也有着其自身的缺陷。简单并联叠层有机太阳能电池往 往包含一个体异质结子节电池和一个双层异质结子节电池。其中，体异质结子节器件是一 个有效的太阳能电池器件。在体异质结电池中，给体材料和受体材料形成互相贯穿的交叉 网络，同时保证了有效的激子分离和有效的电荷传输，现在高效的有机太阳能器件大都是 基于体异质结结构的。但是，这种叠层电池中的另外一个双层异质结子节器件不是一个有 效的太阳能电池器件，它的存在大大地限制了叠层器件的总体性能。
【发明内容】
：
[0007] 本发明的目的在于克服上述传统叠层结构的不足，并对简单并联叠层有机太阳能 电池结构加以改进，将所包含的双层异质结子节电池用体异质结结构代替提供一种改进的 并联叠层有机太阳能电池的制备方法。
[0008] 为了解决【背景技术】所存在的问题，本发明采用以下技术方案：
[0009] -种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法，步骤包括如下：
[0010] (1)将表面带有铟锡氧化物ΙΤ0的玻璃用棉签棒沾锌粉和盐酸刻蚀掉部分ΙΤ0,使 局部露出不导电的玻璃表面，接着对ΙΤ0玻璃进行清洗；
[0011] (2)在刻蚀后的ΙΤ0玻璃表面通过甩胶旋涂3, 4-乙撑二氧噻吩单体的聚合物 PED0T和聚苯乙烯磺酸盐PSS的混合溶液的的方式得到厚度为50-70nm的PED0T:PSS空穴 传输层；
[0012] (3)甩胶结束后在搅拌加热台上对样品进行烘烤，温度为120°c，时间为lh ;
[0013] (4)把3-己基噻吩的聚合物P3HT和富勒烯的衍生物PCBM分别溶于1，2-氯苯中 形成浓度为18mg/ml的溶液，将P3HT: PCBM按体积比1:0. 8配置成P3HT: PCBM混合液；把二 酮吡咯并吡咯聚合物PBBTDPP2和PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成浓度为18mg/ml的溶液， 把PBBTDPP2和PCBM再按体积比1:2配置成混合液；
[0014] (5)把步骤（3)中制备的覆盖有PEDOT :PSS的ΙΤ0玻璃移至手套箱里的甩胶台 上，通过甩胶旋涂上述P3HT:PCBM混合液的方式在PED0T:PSS空穴传输层上得到厚度为 80-100nm 的 P3HT:PCBM 有效层；
[0015] (6)把玻璃移至集成的多源多室镀膜系统的金属室内，用电子束蒸发的方式在玻 璃衬底上蒸镀厚度为l〇〇nm的A1阴极层；
[0016] (7)通过甩胶旋涂上述pBBTDPP2: PCBM混合液的方式在所述A1阴极层上得到厚度 为 80-100nm 的 pBBTDPP2:PCBM 有效层；
[0017] (8)把步骤（7)制备得到的样品倒置层压到步骤（5)中制备的样品上，接着放入手 套箱里，进行退火操作。
[0018] 其中，在步骤（2)中，PED0T与PSS的掺合比例为重量比1:6,甩胶台的转速为每分 钟转速2000-3000rpms，转动时间为60-90s ;在步骤（5)中，所述的在PED0T:PSS空穴传输 层上通过甩胶方式制备厚度为80-100nm的P3HT: PCBM有效层，其工艺条件如下：甩胶台的 转速为1000-1500rpms，时间为40-60s ;在步骤（6)中，所述的在玻璃衬底上用电子束蒸发 方式蒸镀厚度为lOOnm的A1阴极层，其工艺条件如下：金属室的真空度为4Xl(T4Pa ;在步 骤（7)中，所述的在A1阴极层上通过甩胶方式制备厚度为80-100nm的pBBTDPP2:PCBM有 效层，其工艺条件如下：甩胶台的转速为1000-1500rpms，时间为40-60s ;在步骤（8)中，手 套箱通的是高纯氮气，相应水氧含量都小于lppm(百万分之一），退火温度为140-150°C，时 间为 10-15min。
[0019] 本发明对比现有技术，有如下的有益效果：本发明通过层压技术巧妙地去掉了传 统叠层结构中的中间连接层，使两种给体材料（PBBTDPP2和P3HT)分别与一种受体材料 (PCBM)形成了体异质结结构的子节电池，使两个有效层直接相连接，使叠层电池的效率能 得到进一步的提高。由于中间连接层的消失，避免了光通过此层时的附带吸收，有利于器件 对光的有效吸收；避免了它的存在而引入的电阻，有利于器件电学性能的提高；使叠层电 池总的材料层数大大减少，结构大大简化，这使得制造工艺更简单，工艺流程更易控制，器 件成本也因此大大降低。
【专利附图】
【附图说明】：
[0020] 图1是本发明的改进的简单并联叠层有机太阳能电池生长流程图。
[0021] 图2是本发明的改进的简单并联叠层有机太阳能电池结构示意图。
【具体实施方式】：
[0022] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步描述：
[0023] 参照图1，本发明给出如下实施例：
[0024] 实施例1 :
[0025] 本发明的实现步骤如下：
[0026] 步骤1，对衬底进行刻蚀、清洗。
[0027] 将表面带有IT0的玻璃用棉签棒沾锌粉和盐酸刻蚀掉部分IT0,使局部露出不导 电的玻璃表面，接着把刻蚀好的IT0玻璃依次放入去污剂、去离子水、丙酮和乙醇中进行超 声清洗，每次超声15min。玻璃的清洗过程与IT0玻璃一样。
[0028] 步骤2,制备厚度为60nm的PED0T:PSS空穴传输层。
[0029] 把上述刻蚀、清洗后的IT0玻璃用氮气枪吹干，再在其表面通过甩胶旋涂的方式 得到厚度为60nm的PED0T:PSS空穴传输层，甩胶台的转速为3000rpms，时间为60s。
[0030] 步骤3，对样品进行烘干处理。
[0031] 甩胶结束后在搅拌加热台上对样品进行烘烤，温度为120°C，时间为lh。
[0032] 步骤 4，配置 P3HT: PCBM 和 pBBTDPP2: PCBM 混合液。
[0033] 把P3HT和PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成浓度为18mg/ml的溶液，再按体积比 1:0. 8配置成混合液；把pBBTDPP2和PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成浓度为18mg/ml的溶 液，再按体积比1:2配置成混合液。
[0034] 步骤5,制备厚度为80nm的P3HT:PCBM有效层。
[0035] 把样品移至手套箱里的甩胶台上，通过甩胶旋涂上述P3HT:PCBM混合液的方式 在所述PED0T:PSS空穴传输层上得到厚度为80nm的P3HT:PCBM有效层，甩胶台的转速为 1200rpms，时间为 60s。
[0036] 步骤6,在玻璃衬底上制备厚度为lOOnm的A1阴极层。
[0037] 把玻璃移至集成的多源多室镀膜系统的金属室内，用电子束蒸发的方式在玻璃衬 底上蒸镀厚度为lOOnm的A1阴极层，金属室的真空度为4X l(T4Pa ;
[0038] 步骤7,制备厚度为80nm的pBBTDPP2:PCBM有效层。
[0039] 通过甩胶旋涂上述pBBTDPP2:PCBM混合液的方式在所述A1阴极层上得到厚度为 80nm的pBBTDPP2:PCBM有效层，甩胶台的转速为1200rpms，时间为60s。
[0040] 步骤8,层压样品并进行退火处理。
[0041] 把步骤（7)制备得到的样品倒置层压到步骤（5)中制备的样品上，接着在手套箱 (氮气氛围）里进行退火操作。手套箱通的是高纯氮气，相应水氧含量都小于lppm(百万分 之一），退火温度为150°C，时间为lOmin。
[0042] 参照图2,按照本发明上述方法制作的改进的简单并联叠层有机太阳能电池， 它自下而上依次是厚度为1mm的玻璃衬底，厚度为180nm的IT0阳极层，厚度为60nm的 PED0T:PSS空穴传输层，厚度为80nm的P3HT:PCBM有效层，厚度为80nm的pBBTDPP2:PCBM 有效层，厚度为lOOnm的A1阴极层。
[0043] 实施例2 :
[0044] 本发明的实现步骤如下：
[0045] 步骤1，对衬底进行刻蚀、清洗。
[0046] 将表面带有IT0的玻璃用棉签棒沾锌粉和盐酸刻蚀掉部分IT0,使局部露出不导 电的玻璃表面，接着把刻蚀好的IT0玻璃依次放入去污剂、去离子水、丙酮和乙醇中进行超 声清洗，每次超声15min。玻璃的清洗过程与IT0玻璃一样。
[0047] 步骤2,制备厚度为50nm的PED0T:PSS空穴传输层。
[0048] 把上述刻蚀、清洗后的IT0玻璃用氮气枪吹干，再在其表面通过甩胶旋涂的方式 得到厚度为50nm的PED0T:PSS空穴传输层，甩胶台的转速为3000rpms，时间为70s。
[0049] 步骤3，对样品进行烘干处理。
[0050] 甩胶结束后在搅拌加热台上对样品进行烘烤，温度为120°C，时间为lh。
[0051] 步骤 4,配置 P3HT: PCBM 和 pBBTDPP2: PCBM 混合液。
[0052] 把P3HT和PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成浓度为18mg/ml的溶液，再按体积比 1:0. 8配置成混合液；把pBBTDPP2和PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成浓度为18mg/ml的溶 液，再按体积比1:2配置成混合液。
[0053] 步骤5,制备厚度为80nm的P3HT:PCBM有效层。
[0054] 把样品移至手套箱里的甩胶台上，通过甩胶旋涂上述P3HT:PCBM混合液的方式 在所述PED0T:PSS空穴传输层上得到厚度为80nm的P3HT:PCBM有效层，甩胶台的转速为 1200rpms，时间为 60s。
[0055] 步骤6,在玻璃衬底上制备厚度为lOOnm的A1阴极层。
[0056] 把玻璃移至集成的多源多室镀膜系统的金属室内，用电子束蒸发的方式在玻璃衬 底上蒸镀厚度为lOOnm的A1阴极层，金属室的真空度为4X l(T4Pa ;
[0057] 步骤7,制备厚度为90nm的pBBTDPP2:PCBM有效层。
[0058] 通过甩胶旋涂上述pBBTDPP2: PCBM混合液的方式在所述A1阴极层上得到厚度为 90nm的pBBTDPP2:PCBM有效层，甩胶台的转速为lOOOrpms，时间为60s。
[0059] 步骤8,层压样品并进行退火处理。
[0060] 把步骤（7)制备得到的样品倒置层压到步骤（5)中制备的样品上，接着在手套箱 (氮气氛围）里进行退火操作。手套箱通的是高纯氮气，相应水氧含量都小于lppm(百万分 之一），退火温度为140°C，时间为15min。
[0061] 参照图2,按照本发明上述方法制作的改进的简单并联叠层有机太阳能电池， 它自下而上依次是厚度为1mm的玻璃衬底，厚度为180nm的ΙΤ0阳极层，厚度为50nm的 PED0T:PSS空穴传输层，厚度为80nm的P3HT:PCBM有效层，厚度为90nm的pBBTDPP2:PCBM 有效层，厚度为l〇〇nm的A1阴极层。
[0062] 实施例3 :
[0063] 本发明的实现步骤如下：
[0064] 步骤1，对衬底进行刻蚀、清洗。
[0065] 将表面带有IT0的玻璃用棉签棒沾锌粉和盐酸刻蚀掉部分IT0,使局部露出不导 电的玻璃表面，接着把刻蚀好的IT0玻璃依次放入去污剂、去离子水、丙酮和乙醇中进行超 声清洗，每次超声15min。玻璃的清洗过程与IT0玻璃一样。
[0066] 步骤2,制备厚度为70nm的PED0T:PSS空穴传输层。
[0067] 把上述刻蚀、清洗后的IT0玻璃用氮气枪吹干，再在其表面通过甩胶旋涂的方式 得到厚度为70nm的PED0T:PSS空穴传输层，甩胶台的转速为2000rpms，时间为60s。
[0068] 步骤3，对样品进行烘干处理。
[0069] 甩胶结束后在搅拌加热台上对样品进行烘烤，温度为120°C，时间为lh。
[0070]步骤 4，配置 P3HT: PCBM 和 pBBTDPP2: PCBM 混合液。
[0071] 把P3HT和PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成浓度为18mg/ml的溶液，再按体积比 1:0. 8配置成混合液；把PBBTDPP2和PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成浓度为18mg/ml的溶 液，再按体积比1:2配置成混合液。
[0072] 步骤5,制备厚度为lOOnm的P3HT:PCBM有效层。
[0073] 把样品移至手套箱里的甩胶台上，通过甩胶旋涂上述P3HT:PCBM混合液的方式在 所述PED0T:PSS空穴传输层上得到厚度为lOOnm的P3HT:PCBM有效层，甩胶台的转速为 lOOOrpms，时间为 50s。
[0074] 步骤6,在玻璃衬底上制备厚度为lOOnm的A1阴极层。
[0075] 把玻璃移至集成的多源多室镀膜系统的金属室内，用电子束蒸发的方式在玻璃衬 底上蒸镀厚度为lOOnm的A1阴极层，金属室的真空度为4X l(T4Pa ;
[0076] 步骤7,制备厚度为lOOnm的pBBTDPP2:PCBM有效层。
[0077] 通过甩胶旋涂上述pBBTDPP2: PCBM混合液的方式在所述A1阴极层上得到厚度为 lOOnm的pBBTDPP2:PCBM有效层，甩胶台的转速为lOOOrpms，时间为50s。
[0078] 步骤8,层压样品并进行退火处理。
[0079] 把步骤（7)制备得到的样品倒置层压到步骤（5)中制备的样品上，接着在手套箱 (氮气氛围）里进行退火操作。手套箱通的是高纯氮气，相应水氧含量都小于lppm(百万分 之一），退火温度为140°C，时间为lOmin。
[0080] 参照图2,按照本发明上述方法制作的改进的简单并联叠层有机太阳能电池， 它自下而上依次是厚度为1mm的玻璃衬底，厚度为180nm的IT0阳极层，厚度为70nm的 PEDOT: PSS空穴传输层，厚度为lOOnm的P3HT: PCBM有效层，厚度为lOOnm的pBBTDPP2: PCBM 有效层，厚度为lOOnm的A1阴极层。
[0081] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤： (1) 将表面带有铟锡氧化物ITO的玻璃用棉签棒沾锌粉和盐酸刻蚀掉部分ITO,使局部 露出不导电的玻璃表面，接着对ITO玻璃进行清洗； (2) 在刻蚀后的ITO玻璃表面通过甩胶旋涂3, 4-乙撑二氧噻吩单体的聚合物PEDOT和 聚苯乙烯磺酸盐PSS的混合溶液的的方式得到厚度为50-70nm的PEDOT:PSS空穴传输层； ⑶甩胶结束后在搅拌加热台上对样品进行烘烤，温度为120°C，时间为lh ; (4) 把3-己基噻吩的聚合物P3HT和富勒烯的衍生物PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成 浓度为18mg/ml的溶液，将P3HT:PCBM按体积比1:0.8配置成？3!11' :?081混合液；把二酮 吡咯并吡咯聚合物PBBTDPP2和PCBM分别溶于1，2-氯苯中形成浓度为18mg/ml的溶液，把 PBBTDPP2和PCBM再按体积比1:2配置成混合液； (5) 把步骤（3)中制备的覆盖有PEDOT :PSS的ITO玻璃移至手套箱里的甩胶台上，通 过甩胶旋涂上述P3HT: PCBM混合液的方式在PEDOT: PSS空穴传输层上得到厚度为80-100nm 的P3HT:PCBM有效层； (6) 把玻璃移至集成的多源多室镀膜系统的金属室内，用电子束蒸发的方式在玻璃衬 底上蒸镀厚度为l〇〇nm的A1阴极层； (7) 通过甩胶旋涂上述pBBTDPP2: PCBM混合液的方式在所述A1阴极层上得到厚度为 80-100nm 的 pBBTDPP2:PCBM 有效层； (8) 把步骤（7)制备得到的样品倒置层压到步骤（5)中制备的样品上，接着放入手套箱 里，进行退火操作。
2. 根据权利要求1所述的一种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法，其特征在 于，在步骤（2)中， PEDOT与PSS的掺合比例为重量比1:6,甩胶台的转速为每分钟转速2000-3000rpms，转 动时间为60-90s。
3. 根据权利要求1所述的一种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法，其特征在 于，在步骤（5)中， 所述的在PED0T:PSS空穴传输层上通过甩胶方式制备厚度为80-100nm的P3HT:PCBM 有效层，其工艺条件如下： 甩胶台的转速为1000_1500rpms，时间为40-60s。
4. 根据权利要求1所述的一种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法，其特征在 于，在步骤（6)中， 所述的在玻璃衬底上用电子束蒸发方式蒸镀厚度为l〇〇nm的A1阴极层，其工艺条件如 下： 金属室的真空度为4X l(T4Pa。
5. 根据权利要求1所述的改进的简单并联叠层有机太阳能电池的制备方法，其特征在 于，在步骤（7)中， 所述的在A1阴极层上通过甩胶方式制备厚度为80-100nm的pBBTDPP2:PCBM有效层， 其工艺条件如下： 甩胶台的转速为1000_1500rpms，时间为40-60s。
6. 根据权利要求1所述的一种改进的并联叠层有机太阳能电池的制备方法，其特征在 于，在步骤（8)中， 手套箱通的是高纯氮气，相应水氧含量都小于lppm，退火温度为140-150°C，时间为 l〇-15min。
【文档编号】H01L51/48GK104051627SQ201410276254
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】王之哲, 张春福, 陈大正, 吕玲, 汪瑛, 郝跃, 唐诗, 罗莉 申请人:西安电子科技大学