专利名称：提高聚合物太阳电池效率的制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能光伏技术领域，特别是一种提高聚合物太阳电池效率的制备方法。
背景技术：
有机聚合物太阳电池具有成本低、重量轻、制备工艺简单、可制备成柔性器件等突 出优点。因此，近年来这类太阳电池相关材料和器件工艺的研究成为国内外研究的前沿和 热点。在基于聚噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物(PCBM)共混薄膜的有机聚合物太阳电池中，制 备导电性好、稳定致密的金属铝(Al)电极作为电池阴极是获得高效率的关键。传统上，往 往采用热蒸发技术在室温下沉积制备100-200nm的Al作为聚合物太阳电池的阴极，然后对 整个器件进行热退火提高太阳电池的效率。然而，热蒸发技术制备金属电极具有可控性差、 原材料利用率低、稳定性差、易受加热电阻丝污染等缺点，难以实现可控的大面积制备太阳 电池金属电极的工业化生产要求。电子束蒸发是一种清洁、原材料利用率高、可控性和稳定 型很好的金属薄膜淀积工艺，可以应用于大面积聚合物太阳电池的金属电极制备中。然而， 利用电子束蒸发技术制备聚合物太阳电池的金属Al电极的例子尚未报道。而且，若直接在 有机薄膜上在室温下用电子束蒸发技术沉积一层所需厚度的Al电极，电极在经过低温(通 常是150°C )退火后容易发生龟裂，使电极的导电性大大减小，其效率要低于利用常规热蒸 发技术制备电极的电池。参阅图IB为常规热蒸发技术制备电极的聚合物太阳电池的结构 示意图。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中是采用 高效廉价的电子束蒸发技术制备聚合物太阳电池的阴极Al电极，并通过控制电极的制备 工艺来提高太阳电池的效率，具有成本低、操作简单、适用广泛、实用性强等特点。本发明提供一种提高聚合物太阳电池效率的制备方法，电极采用电子束蒸发技术 制备，制备方法包括如下步骤步骤1 在glass层上制作ITO层，作为太阳电池的阳极；步骤2 采用光刻的方法，将ITO层一侧刻蚀掉，刻蚀深度到glass层的表面，防止 ITO与电池的阴极连通；步骤3 在暴露的glass层的上面及ITO层制备一层PEDOT PSS层，作为太阳电池 的空穴传输层；步骤4 将ITO层一侧上面的PED0T:PSS层擦除掉，擦除深度到ITO层的表面，使 暴露的ITO层形成台面，该台面为阳极，与外电路连接；步骤5 在PEDOT PSS层上制备聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜；步骤6 在聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜上制备Al薄膜；步骤7 在Al薄膜上制备Al电极，该Al电极为阴极；
步骤8 退火，将制备完成的聚合物太阳电池退火，完成电极的制备。其中退火是在充满高纯氮气的手套箱内进行热退火，手套箱中的水和氧气的含量 低于lppm，退火温度为120-160°C，退火时间为5-15分钟。其中制备Al薄膜和Al电极所用的电子束蒸发系统的背景真空度为l-3X10_4Pa， 电子枪的束流为80-120mA，工作电压为8500-9500V。其中制备Al薄膜时，制备温度为 20-25°C，沉积速率为0. 5-1. 5A/秒。其中Al薄膜的厚度为50-120nm。其中制备Al电极时，制备温度为70-90°C，沉积速率为1-5A/秒。其中Al电极的厚度为80_150nm。本发明还提供一种提高聚合物太阳电池效率的制备方法，电极采用电子束蒸发技 术制备，制备方法包括如下步骤步骤1 在glass层上制作ITO层，作为太阳电池的阳极；步骤2 采用光刻的方法，将ITO层一侧刻蚀掉，刻蚀深度到glass层的表面，防止 ITO与电池的阴极连通；步骤3 在暴露的glass层的上面及ITO层制备一层PEDOT PSS层，作为太阳电池 的空穴传输层；步骤4 将ITO层一侧上面的PED0T:PSS层擦除掉，擦除深度到ITO层的表面，使 暴露的ITO层形成台面，该台面为阳极，与外电路连接；步骤5 在PEDOT PSS层上制备聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜；步骤6 在聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜上制备Al电极，该Al电极为阴极；步骤7 退火，将制备完成的聚合物太阳电池退火，完成电极的制备。其中退火是在充满高纯氮气的手套箱内进行热退火，手套箱中的水和氧气的含量 低于lppm，退火温度为120-160°C，退火时间为5-15分钟。其中制备Al电极所用的电子束蒸发系统的背景真空度为1-3X 10_4Pa，电子枪的 束流为80-120mA，工作电压为8500-9500V。其中制备Al电极时，制备温度为70-90°C，沉积速率为1-5A/秒。其中Al电极的厚度为80_150nm。
为进一步说明本发明的特征和技术方案，以下结合应用实例对本发明作详细的描 述，其中图IA为本发明的聚合物太阳电池的结构示意图。图IB为常规热蒸发技术制备电极的聚合物太阳电池的结构示意图。图2为依照本发明实施例中聚合物太阳电池在一个标准大阳光(AMI. 5G)下的光 电流密度-光电压曲线。
具体实施例方式请参阅图1A，本发明提供一种提高聚合物太阳电池效率的制备方法，电极采用电 子束蒸发技术制备，制备方法包括如下步骤
步骤1 在glass层10上制作ITO层20，作为聚合物太阳电池的阳极，ITO层20 的方块电阻为7-15欧姆/方块；步骤2 采用光刻的方法，将ITO层20 —侧刻蚀掉，刻蚀深度到glass层10的表 面，防止ITO与电池的阴极连通；步骤3 在暴露的glass层10的上面及ITO层20制备一层PEDOT PSS层30，作为 聚合物太阳电池的空穴传输层，PEDOTPSS层30的厚度为20 40纳米；步骤4 将ITO层20 —侧上面的PEDOT PSS层30擦除掉，擦除深度到ITO层20的 表面，使暴露的ITO层20形成台面21，该台面为聚合物太阳电池的阳极，用来与外电路连 接；步骤5 在PEDOT PSS层30上制备半导性聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜40，作 为电池的光敏层；步骤6 在半导性聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜40上制备Al薄膜50，其中制 备Al薄膜50时，制备温度为20-25°C，沉积速率为0. 5-1. 5A/秒，该Al薄膜50的厚度为 50-120nm ；步骤7 在Al薄膜50上制备Al电极60，该Al电极60为聚合物太阳电池的阴极， 其中制备Al电极60时，制备温度为70-90°C，沉积速率为1-5A/秒，该Al电极60的厚度 为 80-150nm ；其中制备Al薄膜50和Al电极60所用的电子束蒸发系统的背景真空度为 2 X IO^4Pa,电子枪的束流为80-120mA，工作电压为8500-9500V ；步骤8 退火，将制备完成的聚合物太阳电池退火，完成电极的制备，所述退火是 在充满高纯氮气的手套箱内进行热退火，手套箱中的水和氧气的含量低于lppm，退火温度 为120-160°C，退火时间为5-15分钟。
具体实施例实例1 参阅图IA所示，在glass层10上制作ITO层20，ITO层20的方块电阻为 15欧姆/方块。采用光刻的方法，将ITO层20 —侧刻蚀掉，刻蚀深度到glass层10的表 面。在暴露的glass层10的上面及ITO层20制备一层PEDOT PSS层30，PEDOT PSS层30 的厚度为30纳米。将ITO层20 —侧上面的PEDOT PSS层30擦除掉，擦除深度到ITO层20 的表面，使暴露的ITO层20形成台面21。在PEDOTPSS层30上旋涂P3HT/PCBM共混薄膜 40，P3HT与PCBM的质量比为1 1，厚度为100纳米。采用电子束蒸发系统在P3HT/PCBM 共混薄膜40上沉积Al薄膜50，电子束蒸发系统的背景真空度为2X 10_4Pa，电子枪的束流 为100mA，工作电压为9000V，衬底温度T1为25°C，沉积速率为lA /秒，Al薄膜50的厚度为 50nm。然后采用电子束蒸发系统在Al薄膜电极50上沉积Al电极60，电子束蒸发系统的 背景真空度为2 X10_4Pa，电子枪的束流为100mA，工作电压为9000V，衬底温度为80°C，沉积 速率为为2A/秒，Al薄膜60的厚度为lOOnm。在充满高纯N2的手套箱内，对电池进行热退 火，退火温度为150°C，退火时间为10分钟。在一个标准大阳光(AM 1. 5G, 100mff/cm2)照射 下测得电池的开路电压0. 68V、短路电流密度8. 97mA/cm2、填充因子0. 45、能量转换效率为 2. 7 % ο实例2 参阅图IB所示，在glass层10上制作ITO层20，ITO层20的方块电阻为15欧姆/方块。采用光刻的方法，将ITO层20 —侧刻蚀掉，刻蚀深度到glass层10的表 面。在暴露的glass层10的上面及ITO层20制备一层PED0T:PSS层30，PED0T:PSS层30 的厚度为30纳米。将ITO层20 —侧上面的PEDOT PSS层30擦除掉，擦除深度到ITO层20 的表面，使暴露的ITO层20形成台面21。在PEDOTPSS层30上旋涂P3HT/PCBM共混薄膜 40，P3HT与PCBM的质量比为1 1，厚度为100纳米。在P3HT/PCBM共混薄膜40上采用热 蒸发系统沉积Al电极50’，热蒸发系统的背景真空度为2 X IO-4Pa,衬底温度T为25°C，沉 积速率V为2A /秒，Al电极50’的厚度d为150纳米。在充满高纯N2的手套箱内，对电池 进行热退火，退火温度为150°C，退火时间为10分钟。在一个标准大阳光(AM 1. 5G, IOOmff/ cm2)照射下测得电池的开路电压0. 66V、短路电流密度6. 62mA/cm2、填充因子0. 56、能量转 换效率为2.5%。其中第一实施例与第二实施例的差异在于，该第二实施例只比第一实施例少生长 一层Al薄膜50。生长结果如图2所示，采用本发明的方法，采用电子束蒸发技术制备了性能优异的聚合物 太阳电池的阴极Al电极，即先在25°C沉积50nm的Al薄膜，然后在80°C下沉积IOOnm的Al 电极，电池在150°C下退火10分钟后，聚合物太阳电池的效率比常规技术制备的电池的效 率高，从2. 46 %提高到2.77%。发明与背景技术相比所具有的有意义的结果利用电子束蒸发技术，采用两步法沉积工艺，成功制备了性能优异的聚合物太阳 电池的阴极Al电极。沉积的Al薄膜与有机薄膜的粘附性良好，在高温退火后不会发生龟 裂。此外，利用电子束蒸发采用两步法沉积工艺来制备聚合物电池的阴极电极，电池的效率 要高于常规的热蒸发工艺制备的电池。因此，清洁、原材料利用率高、可控性和稳定型很好 的电子束蒸发工艺，可以应用于大面积聚合物太阳电池的金属电极制备中，为实现廉价的 有机光伏的工业化奠定了基础。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种提高聚合物太阳电池效率的制备方法，电极采用电子束蒸发技术制备，制备方 法包括如下步骤步骤1 在glass层上制作ITO层，作为太阳电池的阳极；步骤2 采用光刻的方法，将ITO层一侧刻蚀掉，刻蚀深度到glass层的表面，防止ITO 与电池的阴极连通；步骤3 在暴露的glass层的上面及ITO层制备一层PEDOT PSS层，作为太阳电池的空 穴传输层；步骤4 将ITO层一侧上面的PED0T:PSS层擦除掉，擦除深度到ITO层的表面，使暴露 的ITO层形成台面，该台面为阳极，与外电路连接；步骤5 在PEDOT PSS层上制备聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜； 步骤6 在聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜上制备Al薄膜； 步骤7:在Al薄膜上制备Al电极，该Al电极为阴极； 步骤8 退火，将制备完成的聚合物太阳电池退火，完成电极的制备。
2.根据权利要求1所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中退火是在充 满高纯氮气的手套箱内进行热退火，手套箱中的水和氧气的含量低于lppm，退火温度为 120-160°C，退火时间为5-15分钟。
3.根据权利要求1所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中制备Al薄膜和 Al电极所用的电子束蒸发系统的背景真空度为l_3X10_4Pa，电子枪的束流为80_120mA，工 作电压为8500-9500V。
4.根据权利要求1所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中制备Al薄膜时， 制备温度为20-25°C，沉积速率为0. 5-1. 5A/秒。
5.根据权利要求1或4所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中Al薄膜的厚 度为 50-120nm。
6.根据权利要求1所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中制备Al电极时， 制备温度为70-90°C，沉积速率为1-5A /秒。
7.根据权利要求1或6所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中Al电极的厚 度为 80-150nm。
8.一种提高聚合物太阳电池效率的制备方法，电极采用电子束蒸发技术制备，制备方 法包括如下步骤步骤1 在glass层上制作ITO层，作为太阳电池的阳极；步骤2 采用光刻的方法，将ITO层一侧刻蚀掉，刻蚀深度到glass层的表面，防止ITO 与电池的阴极连通；步骤3 在暴露的glass层的上面及ITO层制备一层PEDOT PSS层，作为太阳电池的空 穴传输层；步骤4 将ITO层一侧上面的PED0T:PSS层擦除掉，擦除深度到ITO层的表面，使暴露 的ITO层形成台面，该台面为阳极，与外电路连接；步骤5 在PEDOT PSS层上制备聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜； 步骤6 在聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜上制备Al电极，该Al电极为阴极； 步骤7 退火，将制备完成的聚合物太阳电池退火，完成电极的制备。
9.根据权利要求8所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中退火是在充 满高纯氮气的手套箱内进行热退火，手套箱中的水和氧气的含量低于lppm，退火温度为 120-160°C，退火时间为5-15分钟。
10.根据权利要求8所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中制备Al电极所 用的电子束蒸发系统的背景真空度为l_3X10_4Pa，电子枪的束流为80-120mA，工作电压为 8500-9500V。
11.根据权利要求8所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中制备Al电极时， 制备温度为70-90°C，沉积速率为1-5A /秒。
12.根据权利要求8或11所述的提高聚合物太阳电池效率的制备方法，其中Al电极的 厚度为80-150nm。
全文摘要
一种提高聚合物太阳电池效率的制备方法，电极采用电子束蒸发技术制备，制备方法包括如下步骤在glass层上制作ITO层，作为太阳电池的阳极；采用光刻的方法，将ITO层一侧刻蚀掉，刻蚀深度到glass层的表面，防止ITO与电池的阴极连通；在暴露的glass层的上面及ITO层制备一层PEDOT:PSS层，作为太阳电池的空穴传输层；将ITO层一侧上面的PEDOT:PSS层擦除掉，擦除深度到ITO层的表面，使暴露的ITO层形成台面，该台面为阳极，与外电路连接；在PEDOT:PSS层上制备聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜；在聚合物/富勒烯衍生物共混薄膜上制备Al薄膜；在Al薄膜上制备Al电极，该Al电极为阴极；退火，将制备完成的聚合物太阳电池退火，完成电极的制备。
文档编号H01L51/48GK102074654SQ20101055425
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者尹志岗, 张兴旺, 张秀兰, 白一鸣, 谭海仁, 高红丽 申请人:中国科学院半导体研究所