一种新型太阳能电池器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型太阳能电池器件及其制备方法，属于太阳能电池材料领域。
【背景技术】
[0002]随着材料的不断发展以及清洁可再生能源重要性的突显，新型光电材料在太阳能电池领域的应用受到越来越广泛的关注。单晶硅太阳能电池的商业化实现了太阳能电池从实验室走向市场的重要进展，也极大的带动了太阳能电池领域的进一步发展。然而单晶硅太阳能电池效率难以实现更大突破，生产流程的苛刻，以及对高纯硅的极大依赖都限制了其进一步发展。为了实现进一步降低成本，提高电池效率，新型太阳能电池不断被开发和发展，如多晶娃，非晶硅太阳能电池，多元化合物太阳能电池，敏化太阳能电池，及有机太阳能电池。其中有机太阳能电池尤其是近年来热门电池-钙钛矿太阳能电池无疑是太阳能电池发展中的一颗明星。
[0003]早在20世纪初，Pochettino和Volmer分别报道了有机固态蒽晶体的光导效应，成为有机太阳能电池研究的标志性开端。Tang在1979年用两种不同的有机染料制成的异质结实现了 1% 的电池效率(C.W.Tang, US Patent 4，164，431，August 14，1979)，并于 1986年报道了这一有机太阳能电池领域的突破(C.ff.Tang, Appl.Phys.Lett.48 (1986) 183.)。尽管人们了解了异质结构对电子空穴分离及传输作用，有机太阳能电池仍然在相当长的时间里无法获得理想的效率。通过不断的研究，A.R.Schlatman发现ΙΤ0玻璃中的铟离子容易扩散进入有机活性层而捕获载流子(A.R.Schlatman, Appl.Phys.Lett.69 (1996) 1764.)，从而降低器件的性能。铝电极也具有与ΙΤ0电极相似的情况，扩散进入有机活性层，从而影响器件的整体性能。另一个影响电池效率的重要原因是在半导体与金属电极接触的界面因为能带不匹配而形成阻碍电子传输的肖特基势皇。第三个原因是尽管通过p-n结生成了电子空穴对，但由于内建电场小，或者材料对电子空穴的选择能力差等原因，使得电子扩散到阳极与电极复合而降低载流子输出。应对这些问题的主要方法就在活性层与电极之间构造一个缓冲层(S.A.Carter, Appl.Phys.Lett.70 (1997) 2067.)。(poly (3, 4-ethylened1xyth1phene)) - (poly(styrenesulfonate) (PED0T-PSS)是一种常用的空穴传输层。其可以改善界面，组织电极离子扩散，提高电池输出效率。然而其不稳定性一直难以解决。M.D.1rwin用氧化镍作为空穴传输层应用在有机太阳能电池上，用以取代PH)0T-PSS并获得了比较好的效果(M.D.1rwin, PNAS.105(2007)2783.)，同时氧化镍的禁带宽度大，可以实现对电子的拦截，减少电子在阳极复合的损失，对效率提升具有积极意义。然而也正因为氧化镍的带宽比较大，其导电效果比较差。还有很多其他的空穴传输层已经被研究与报道，但在稳定性与导电性之间很难平衡。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新型太阳能电池器件及其制备方法，本发明以碳纳米管基复合材料作为空穴传输层，碳纳米管基复合材料空穴传输层具有高稳定性，环境友好等，原材料充足且容易获取特点。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]—种新型太阳能电池器件，包括顺序层状铺设的阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层、透明电极及基板，
[0007]所述的空穴传输层为:由碳纳米管与P型半导体混合成的一层结构，或由单独的碳纳米管层与P型半导体层组成的两层结构。即本发明的空穴传输层是采用碳纳米管与P型半导体的复合材料，以下简称为碳纳米管基复合材料。
[0008]所述的空穴传输层为由碳纳米管与P型半导体混合成的一层结构时，此时所述的空穴传输层厚度为2-500纳米之间，碳纳米管与P型半导体重量比在1:100与100:1之间。
[0009]所述的空穴传输层为由单独的碳纳米管层与P型半导体层组成的两层结构时，所述的碳纳米管层的厚度为1-200纳米，所述的P型半导体层厚度为0.5-300纳米。
[0010]所述的空穴传输层为由单独的碳纳米管层与P型半导体层组成的两层结构时，碳纳米管层与P型半导体层的设置位置可以采用以下三种方式:
[0011]a、所述的碳纳米管层与活性层相连接，所述的P型半导体层与阳极相连，或者，
[0012]b、所述的碳纳米管层与阳极相连接，所述的P型半导体层与活性层相连接，或者，
[0013]c、所述的新型太阳能电池器件包括顺序层状铺设的阳极、电子传输层、活性层、碳纳米管层、P型半导体层、透明电极及基板。b、c两种形式为空穴传输层倒置的情形。
[0014]所述的碳纳米管选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或几种，所述的碳纳米管的直径为0.4-20纳米。
[0015]所述的P型半导体选自P型石墨烯量子点、P型氧化石墨烯、P型氧化镍或P型五氧化二钒中的一种或几种；所述的P型半导体能带宽度为2.0-4.5电子伏特。
[0016]所述的透明电极为铟锡氧化物ΙΤ0电极或者FT0电极，所述的基板为玻璃，所述的活性层材料选自甲基氨基碘化铅、poly(3-hexylth1phene)(即P3HT)或PCBM([6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)，所述的电子传输层材料选自氧化锌或氧化钛，所述的阳极材料选自银、铝或碳材料。
[0017]所述的空穴传输层与阳极之间直接连接，或通过在空穴传输层与阳极之间设置保护层使空穴传输层与阳极间接连接。
[0018]所述的保护层的材料选择PMMA等。
[0019]上述新型太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤:
[0020]1)将透明电极设置在基板上，并清洗干净，吹干，然后用氧等离子体处理两分钟；
[0021]2)通过热分解在透明电极表面形成一层致密薄膜，然后在致密薄膜表面通过旋涂法形成介孔薄膜，致密薄膜与介孔薄膜组成所述的电子传输层(制备致密薄膜或介孔薄膜的材料为氧化锌或氧化钛)；
[0022]3)通过旋涂法在电子传输层表面形成活性层；
[0023]4)通过压印方式或旋涂方式将碳纳米管薄膜转移到活性层表面，旋涂形成P型半导体层，形成空穴传输层，或者，
[0024]将碳纳米管与P型半导体混合后，以压印或旋涂方式将碳纳米管与P型半导体混合物在活性层表面形成空穴传输层；
[0025]5)在空穴传输层上通过旋涂法形成保护层，最后与阳极相连，或者，在空穴传输层上直接连接阳极。
[0026]上述制备方法中，各层材料的厚度可以通过该材料的浓度，以及旋转速度进行控制。
[0027]P型半导体结合碳纳米管形成的碳纳米管基复合材料作为空穴传输层具有载流子高离解率，高电传导，电子阻挡，界面修饰降低势能壁皇等性能。碳纳米管具有高电导率以及载流子迀移率，同时本发明宽带范围内的P型半导体对碳纳米管的修饰与掺杂进一步促进碳纳米管的导电性能。碳纳米管对电子空穴对具有强解离能力，实现高效分离与传输的作用。P型半导体作为电子阻挡层实现对电子拦截的作用，以防止电子与空穴在阳极复合而影响器件性能。P型半导体同时可以修饰碳纳米管及电极，降低碳纳米管与电极间的势能壁皇，提高器件的开路电压。而且，碳纳米管基复合材料空穴传输层可以根据需要在太阳能电池中实现倒置结构(即上述的b、C两种形式)。所以，用P型半导体结合碳纳米管形成的碳纳米管基复合材料作为空穴传输层时，可以提高空穴浓度及传输速率，同时降低载流子在电极上的损耗，对提高器件的电流效率与功率具有非常重要的作用。同时使器件对其他活性层材料以及电极材料的选择具有灵活性，促进其对不同结构、不同材料的有机太阳能电池统一实现空穴传输，电子拦截的作用。
[0028]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:
[0029]1、本发明所用的碳纳米管基复合材料作为空穴传输层可以以薄膜的方式直接转移或涂布方式实现与有机无机层结合，达到空穴取出，传输的作用。
[0030]2、本发明所用的碳纳米管基复合材料作为空穴传输层不需要高温淬火即可实现高效空穴传输/电子拦截的作用。
[0031]3、本发明所用的碳纳米管及P型半导体材料廉价，丰富，无毒。
【附图说明】
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