专利名称：层压型并联有机太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有机太阳能电池，更详细地，涉及一种通过层压各个单位元件，并以并联方式将它们连接起来，来改善能量转换效率的有机太阳能电池。
背景技术：
随着最近环境问题和高油价问题的出现，对清洁替代能源开发的关注度日益增长的同时进行着各种有关太阳能电池开发的研究。其中，有机太阳能电池具有诸多优点，如 因其用作光活性层的有机分子的吸光系数高而能够用薄的元件制作；制作方法简便、设备成本低；因其高分子特性上具有优异的可弯曲性以及可加工性等而能够广泛应用于各种领域。但是，因陷阱电荷密度大而导致电荷的寿命短、迁移率低、扩散长度短，因而具有集光效率较差而导致能量转换效率低的问题。能量转换效率是决定太阳能电池的性能和成本的重要因素，因而正在从各种角度着手研究用于提高太阳能电池的效率的各种技术。在实现具有高的能量转换效率的太阳能电池的方法中有一种方法是，以并联方式将两个或两个以上具有光活性层的单一元件连接起来，来使开路电压保持原样的同时增加光电流。目前为止所出现的有关以并联方式连接单一元件的太阳能电池的报告中，典型的是 A. Hadipour et al. [J. Appl. Phys. 102,074506]禾口 V. Shrotriya et al. [Appl. Phys. Lett 88,064104]的研究。但在这些研究中，为了在各个单位元件形成金属电极而需要进行多次高真空蒸镀工序，并且需要进行通过外部电线以并联方式连接各电极的额外工序。在这种情况下，虽然能够期待元件的光电流得以提高，但存在使元件的制造工序变复杂且制造时间变长，最终导致元件的制造成本变高的问题。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题在于，提供一种提高光电流产生效率的同时简化制造工序的层压型并联有机太阳能电池。解决问题的手段为了实现上述技术课题，本发明的一个实施方式提供一种层压型并联有机太阳能电池。上述层压型并联有机太阳能电池包括第一电极；第一光活性层，其位于上述第一电极上；传导性高分子电极，其位于上述第一光活性层上；第二光活性层，其位于上述传导性高分子电极上；第二电极，其位于上述第二光活性层上；以及连接部，其从上述第二电极沿着上述第一电极方向取向而以电连接的方式将上述第一电极和上述第二电极连接起来。上述第一电极、上述第二电极为阴极，上述传导性高分子电极为阳极。另一方面，与此相反，上述第一电极及上述第二电极可以是阳极，上述传导性高分子电极可以是阴极。上述传导性高分子电极的高分子物质包含聚乙撑二氧噻吩、聚乙撑二氧噻吩聚苯乙烯磺酸盐、聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩以及聚苯胺中的任一种。上述连接部由与形成上述第二电极的物质相同的物质形成。并且，上述层压型并联有机太阳能电池还包括位于上述第一电极与上述第一光活性层之间的η-型缓冲层以及位于上述第二光活性层与上述第二电极之间的η-型缓冲层中的至少一种。另一方面，与此相反，上述层压型并联有机太阳能电池还包括位于上述第一光活性层与上述传导性高分子电极之间的η-型缓冲层以及位于上述传导性高分子电极与上述第二光活性层之间的η-型缓冲层中的至少一种。上述η-型缓冲层为η-型金属氧化物，作为一例，上述η_型缓冲层可以是TiOx、 ZnO, Cs2CO3或它们的混合物。并且，上述层压型并联有机太阳能电池还包括位于上述第一光活性层与上述传导性高分子电极之间的P-型缓冲层以及位于上述传导性高分子电极与上述第二光活性层之间的P-型缓冲层中的至少一种。另一方面，与此相反，上述层压型并联有机太阳能电池还包括位于上述第一电极与上述第一光活性层之间的P-型缓冲层以及位于上述第二光活性层与上述第二电极之间的P-型缓冲层中的至少一种。上述ρ-型缓冲层可以是上述传导性高分子电极的高分子物质与极性溶剂的混合物的固化物或P-型金属氧化物。上述ρ-型金属氧化物可以是Mo03、V2O5, NiOx或它们的混合物。发明的效果根据如上所述的本发明，能够通过光电流的增加来提高有机太阳能电池的能量转换效率。并且使用能够进行溶液工序的传导性高分子来形成中间电极，并使得元件自身具有并联结构，从而具有能够简化制造工序且节减制造成本的优点。
图1是表示本发明一实施例的层压型并联有机太阳能电池的立体图；图2是表示本发明一实施例的层压型并联有机太阳能电池的局部剖视图；图3是表示根据本发明一实施例制造的层压型并联有机太阳能电池的结构的剖视图；图4及图5是根据制造例制造的层压型并联有机太阳能电池的开路电压状态以及短路状态下的能量图；图6是表示根据实验例测定的层压型并联有机太阳能电池的电流-电压曲线的曲线图。
具体实施例方式下面，将参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。但是，本发明不局限于在这里所要说明的实施例，而能够以其它方式具体化。反而，在这里所要介绍的实施例只用以使所揭示的内容彻底、完整，并有助于向本领域技术人员充分传递本发明的思想。附图中， 为了确保明确性，层以及区域的厚度有所放大。在说明书全文中，相同的附图标记表示相同的结构元件。图1及图2是表示本发明一实施例的层压型并联有机太阳能电池的立体图及局部剖视图。图2中所示的局部剖面与沿着图1的切割线1-1’获取的剖面对应。如图1所示，本发明的有机太阳能电池包括依次层压在透光基板100上的第一电极110、第一光活性层120、传导性高分子电极130、第二光活性层140、第二电极150以及以电连接的方式将上述第一电极110和上述第二电极150连接起来的连接部160。上述透光基板100可以是玻璃基板或聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylen eterephthalate)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚酰亚胺(polyimide)等透光率高的透光树脂基板。优选地，上述第一电极110以及上述第二电极150中的至少一个电极是透光性电极，且上述第一电极Iio以及上述第二电极150由具有低的电阻率的传导性物质形成。例如，上述第一电极 110 可以是 IT0(Indium Tin Oxide，铟锡氧化物)、FTO(Fluoride-doped Tin Oxide，掺氟二氧化锡)、Zn0(Zinc Oxide，氧化锌)、IZO(Indium Zinc Oxide，铟锌氧化物)或AZ0(Al-doped Zinc Oxide，掺铝氧化锌)等金属氧化物类透明电极或由传导性高分子、碳纳米管(carbon nanotube)或石墨烯形成的电极。但并不局限于此，能够使用具有传导性的所有物质。上述第二电极150可以是上述金属氧化物类透明电极或由铝(Al)、金 (Au)、银(Ag)、铜(Cu)、碳(C)、碳纳米管、传导性高分子或它们的组合物形成的电极。上述第一电极110以及上述第二电极150选用具有比上述传导性高分子电极130的Η0Μ0能级小的功函数的物质来形成为阴极(cathode)。上述第一光活性层120以及上述第二光活性层140由电子给体(electron donor, D)物质和电子受体(electron acceptor,Α)物质形成，并起到将通过受光而在电子给体物质中生成的激子(exciton)分离成电子和空穴来产生电流的光电转换层的作用。在这里， 上述第一光活性层120以及上述第二光活性层140的电子给体物质彼此不相关地能够从高分子有机半导体化合物或低分子有机半导体化合物中适当选用。尤其是，使用光吸收范围互不相同的物质来制造上述第一光活性层120和第二光活性层140的情况下，能够加宽整体元件的光吸收带，来提高能量转换效率。上述高分子有机半导体化合物可以是P3HT (poly (3-hexylthiophene,聚 (3-己基噻吩)))、PCPDTBT(poly[2，6-(4，4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2 ,1-b ；3,4-b ‘ ]dithiophene)-alt-4，7-(2，l，3-benzothiadiazole)]，聚[2，6-(4，
4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2，l-b;3，4-b‘ ] 二噻吩)-alt_4，7-(2，1，3-苯并 @ 二 P坐)])、PCDTBT(poly [N-9 〃 -hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4 ‘， V -di-2-thienyl-2'，1'，3' -benzothiadiazol e)]，聚[N_9〃 -十七烧基 _2，7-咔唑-alt-5，5-(4'，7' -二-2-噻吩基-2'，1'，3'-苯并噻二唑)])、PFDTBT(poly (2， 7-(9-(2 ‘ -ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene) -alt-5, 5-(4‘，7' -di-2-thie nyl-2 ‘， 1'，3' -benzothiadiazole))，聚(2，7-(9-(2 ‘-乙基己基)-9-己基-芴)_alt_5，
5-(4'，7'-二-2-噻吩基-2'，1'，3'-苯并噻二唑)))、MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5 -(2' -ethyl-hexy loxy) -1,4-phenylene vinylene],聚-[2_ 甲氧基 _5_(2'-乙基-己氧基)-l，4-苯撑乙烯撑])、MDMO-PPV(poly [2-methoxy-5-(3, 7-dimethyloctyloxy) -1, 4-phenylene vinylene]，聚[2-甲氧基_5_ (3，7_ 二甲基辛氧基)_1，4_苯撑乙烯撑])或
5SDT-BT (poly[ (4,4-didodecyldithieno[3, 2-b 2 ‘，3 ‘ -d]silole)-2,6-diyl-alt-(2, 1,3-be nzothiadiazole)-4，7-diyl]，聚 K4，4-双十二烷基二噻吩[3，2-b :2'，3' _d]噻咯)-2，6_ 二基-alt-(2，l，3-苯并噻二唑)-4，7_ 二基])等。上述低分子有机半导体化合物可以是 CuPc (copper phthalocyanine, Fft3^f同)>ZnPc (zinc phthalocyanine, 1 3^!^ )、 PtOEP((2,3,7,8,12，13，17，18-octaethyl_21H，23H_po rphyrin)platinum(II)，(2,3,7, 8，12，13，17，18-八乙基-21扎23!1-卟啉)钼(II))等。但是，上述有机半导体化合物不局限于此。作为上述第一光活性层120以及上述第二光活性层140的电子受体物质，能够使用富勒烯(fullerene，C60)或设计成促使富勒烯容易溶解于有机溶剂的PCBM((6， 6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, (6，6)-苯基-C61-丁酸甲酯)或 PC7tlBM((6， 6)-phenyl-C70-butyric acid methyl ester, (6，6)-苯基-C7tl-丁酸甲酯)等，此外，还能够使用作为单分子的二萘嵌苯(perylene )、PBI (polybenzimidazole，聚苯并咪唑)以及 PTCBI (3,4,9,10-perylene-tetr acarboylic bis-benzimidazole, 3,4,9,10- ^ 蔡嵌苯-四羧酸双苯并咪唑)等。上述传导性高分子电极130作为透明且具有导电性的电极，起到作为收集在上述第一光活性层120以及上述第二光活性层140生成的空穴的阳极(anode)的作用。上述传导性高分子电极130的材料包含聚乙撑二氧噻吩(polyethylenedioxythiophene， PED0T)、聚乙炔(polyacetylene)、聚吡咯(polypyrrole)、聚噻吩(polythiophene)、 聚苯胺(polyaniline)等，优选为包含聚乙撑二氧噻吩聚苯乙烯磺酸盐 (polyethylenedioxythiophene polystyrenesulfonate, PED0T:PSS)o 但不局限于上述物质，只要是透明且具有导电性的高分子物质，均能使用。并且，为了改善上述传导性高分子电极130的特性，还能向在上面所列出的高分子物质导入添加剂。例如，使用PED0T:PSS 来形成传导性高分子电极130的情况下，将极性非质子性溶剂，例如导入二甲基亚砜 (dimethyl sulfoxide, DMS0)作为添加剂来提高传导率。上述传导性高分子电极130能够通过利用浇注(casting)、旋涂(spin coating)、 喷涂(spray coating)、喷墨印刷(ink-jet printing)、丝网印刷(screen printing)、刮涂 (doctor blade)或挤涂(slot-die)等方法的溶液工序来形成。上述连接部160作为以电连接的方式连接上述第一电极110和上述第二电极150 的部分，具有从上述第一电极110沿着上述第二电极150方向取向的结构。作为一例，可通过如下的方法来形成上述连接部160。在上述第一电极110上形成上述第一光活性层120、上述传导性高分子电极130以及上述第二光活性层140(包括后文中的缓冲层的情况下也相同)的过程中，层压成使得上述第一电极110上部的一部分暴露。 然后，在上述第二光活性层140上形成第二电极150的过程中，使得形成上述第二电极150 的物质还蒸镀乃至涂敷在上述第一电极110上部的暴露部分。在这种情况下，使得形成上述第二电极150的物质以充分的高度(厚度)形成在上述第一电极110上部的暴露部分， 并与并排于上述第一电极110而形成的第二电极150的一端连接。从而，能够由与形成第二电极150的物质相同的物质来形成连接部160。像这样，能够在形成上述第二电极时同时形成上述连接部160，且通过上述连接部 160的形成，以电连接的方式将上述第一电极110和上述第二电极150连接起来，因而元件自身就能够形成并联结构，而不需要特意从外部接入导线。另一方面，如图2所示，在形成上述第二光活性层140的过程中，用形成上述第二光活性层140的物质进行涂敷，以覆盖上述传导性高分子电极130的侧面，由此能够在传导性高分子电极130的侧面与连接部160之间形成规定厚度的膜142。(但是，上述图1及以下图3中未另外图示出这种膜142部分)。从而能够防止因上述连接部160直接与上述传导性高分子电极130的侧面接触而可能会发生的短路(short)。并且，在第二光活性层140 与第二电极150之间导入后文中的缓冲层的情况下，还能通过如上所述的方法在传导性高分子电极130的侧面与连接部160之间形成由形成缓冲层的物质形成的膜。由此，发生短路的忧虑会在元件的制造过程中自然消失。此外，还可以用薄的绝缘物质对上述传导性高分子电极130的侧面进行钝化处理(passivation)，来防止因上述连接部160与上述传导性高分子电极130的侧面接触而可能会发生的短路。并且，本发明的层压型并联有机太阳能电池在各个上述电极110、130、150与光活性层120、140之间包括各种缓冲层。上述缓冲层鉴于电池的效率以及材料性层面等，根据其目的如下说明地适当取舍选择。还包括位于上述第一电极110与上述第一光活性层120之间的η-型缓冲层115 以及位于上述第二光活性层140与上述第二电极150之间的η-型缓冲层145中的至少一种。上述η-型缓冲层115、145是指起到促使在相邻的光活性层生成的电子容易地传输到相邻的电极的电子传输层(electron transfer layer，ETL)的作用的层。并且，上述η-型缓冲层115、145起到防止从相邻的光活性层生成的空穴注入到相邻的电极的空穴阻挡层(hole blocking layer, HBL)的作用。上述η-型缓冲层115、145能够使用铝三 (8-羟基喹啉)(aluminium tris (8-hydroxyquinoline)，Alq3)、氟化锂(LiF)、锂配合物 (8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq :8_羟基喹啉锂)、高分子物质或η-型金属氧化物等材料形成。作为一例，上述η-型金属氧化物可以是Ti0x、ZnO, Cs2CO3或它们的混合物。 但形成上述η-型缓冲层的物质不局限于此。还包括位于上述第一光活性层120与上述传导性高分子电极130之间的ρ-型缓冲层125以及位于上述传导性高分子电极130与上述第二光活性层140之间的ρ-型缓冲层 135中的至少一种。上述ρ-型缓冲层125、135是指起到促使在相邻的光活性层生成的空穴容易地传输到相邻的传导性高分子电极130的空穴传输层(hole transfer layer,HTL)的作用的层。作为一例，上述P-型缓冲层125、135能够使用MTDATA、TDATA、NPB、PEDOT:PSS、 TPD或ρ-型金属氧化物等材料来形成。作为一例，上述P-型金属氧化物可以是MO03、V205、 NiOx或它们的混合物。但形成上述ρ-型缓冲层的物质不局限于此。并且，如上所述，上述缓冲层除了起到促进电荷的分离乃至移动的作用之外，还起到在元件内改善相邻层的界面特性的作用。例如，要在由疏水性物质形成的第一光活性层 120上形成由亲水性物质形成的传导性高分子电极130的情况下，由于各物质的性质互不相同，因而很难获取均勻的膜形态的传导性高分子电极130。在这种情况下，如果在第一光活性层120上导入传导性高分子电极130的高分子物质与极性溶剂的混合物的固化物作为 P-型缓冲层，就能以均勻的膜形态在上述P-型缓冲层上形成上述传导性高分子电极130。另一方面，本发明的再一实施例提供一种将上述第一电极110以及上述第二电极 150作为阳极，并将上述传导性高分子电极130作为阴极的层压型并联有机太阳能电池。在这种情况下，通过η-掺杂(doping)等适当的化学处理来调节传导性高分子电极130的能级，尤其是LUMO能级，从而使传导性高分子电极130起到作为阴极的作用。并且，鉴于电荷的有效传递以及材料特性，还能够导入上述缓冲层。在这种情况下，上述缓冲层既可以是位于第一电极110与第一光活性层120之间的ρ-型缓冲层以及位于第二光活性层140与第二电极150之间的ρ-型缓冲层中的至少一种，也可以是位于第一光活性层110与传导性高分子电极130之间的η-型缓冲层以及传导性高分子电极130与第二光活性层140之间的 η-型缓冲层中的至少一种。下面，将揭示优选的制造例及实验例，以便理解本发明。但是，以下制造例及实验例只用以有助于理解本发明，本发明并不局限于此。(制造例层压型并联有机太阳能电池的制造)图3是表示根据本发明一实施例制造的层压型并联有机太阳能电池的结构的剖视图。如图3所示，在玻璃基板100上依次层压第一电极110、η-型缓冲层115、第一光活性层120、ρ-型缓冲层125以及传导性高分子电极130来形成下部单位元件200。然后， 在上述传导性高分子电极130上依次层压第二光活性层140、η-型缓冲层145以及第二电极150来形成上部单位元件300。并且，在形成上述第二电极150的同时形成将上述第一电极110和上述第二电极150连接起来的连接部160。具体地说，上述第一电极110为ITO电极，上述η-型缓冲层115、145是通过使用 TiOx来形成的。使用Ρ3ΗΤ:PCBM来形成上述光活性层120、140，使用向PEDOTPSS添加异丙醇(IPA)的混合物来形成上述ρ-型缓冲层125，并使用PEDOT PSS: DMSO (5% )来形成上述传导性高分子电极130。最后，使用铝(Al)来形成上述第二电极150和上述连接部160。图4和图5是根据上述制造例制造的层压型并联有机太阳能电池的开路电压状态以及短路状态下的能量图。但是，由于P-型缓冲层125的能级与传导性高分子电极130的能级相同，故予以省略。参照图4及图5可知，使用具有高功函数的PEDOTPSS:DMSO形成的传导性高分子电极130被用作中间电极来收集空穴，具有相对低的功函数的第一电极(ΙΤ0电极)110以及第二电极(Al电极)150则起到收集电子的作用。并且，通过在元件内部导入TiOx缓冲层 115、145来提高元件的整流特性，尤其是，形成在第一电极(ΙΤ0电极)110上的TiOx缓冲层 115起到促使在下部单位元件200形成高的开路电压的作用。(实验例测定层压型并联有机太阳能电池的效率)在AM (air mass，气团)1. 5G条件下，照射lOOmw/cm2强度的光来测定根据上述制造例制造的层压型并联有机太阳能电池的效率。图6是表示根据上述实验例测定的层压型并联有机太阳能电池的电流-电压曲线的曲线图。参照图6可知，构成本发明的层压型并联有机太阳能电池的下部单位元件和上部单位元件各自的短路电流之和与整体元件的短路电流相似。并且，两个单位元件各自的开路电压与整体元件的开路电压相同。这与在并联连接的电路中施加于各电阻的电压相同， 且整体电流等于流过各电阻的电流之和。由此表明，本发明的层压型有机太阳能电池具有并联连接的结构。
表1表示根据上述实验例测定的层压型并联有机太阳能电池的开路电压(V。。)、短路电流(Js。)、填充因子(FF)以及能量转换效率(PCE)的整理结果。表 权利要求
1.一种层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，包括第一电极；第一光活性层，其位于上述第一电极上；传导性高分子电极，其位于上述第一光活性层上；第二光活性层，其位于上述传导性高分子电极上；第二电极，其位于上述第二光活性层上；以及连接部，其从上述第一电极沿着上述第二电极方向取向而以电连接的方式将上述第一电极和上述第二电极连接起来。
2.根据权利要求1所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，上述第一电极、上述第二电极为阴极，上述传导性高分子电极为阳极。
3.根据权利要求1所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，上述第一电极、上述第二电极为阳极，上述传导性高分子电极为阴极。
4.根据权利要求1所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，上述传导性高分子电极的高分子物质包含聚乙撑二氧噻吩、聚乙撑二氧噻吩聚苯乙烯磺酸盐、聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩以及聚苯胺中的任一种。
5.根据权利要求1所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，上述连接部由与形成上述第二电极的物质相同的物质形成。
6.根据权利要求2所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，还包括位于上述第一电极与上述第一光活性层之间的η-型缓冲层以及位于上述第二光活性层与上述第二电极之间的η-型缓冲层中的至少一种。
7.根据权利要求3所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，还包括位于上述第一光活性层与上述传导性高分子电极之间的η-型缓冲层以及位于上述传导性高分子电极与上述第二光活性层之间的η-型缓冲层中的至少一种。
8.根据权利要求6或7所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，上述η-型缓冲层为η-型金属氧化物。
9 根据权利要求8所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，上述η-型金属氧化物是TiOx、ZnO, Cs2CO3或它们的混合物。
10.根据权利要求2所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，还包括位于上述第一光活性层与上述传导性高分子电极之间的P-型缓冲层以及位于上述传导性高分子电极与上述第二光活性层之间的P-型缓冲层中的至少一种。
11.根据权利要求3所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，还包括位于上述第一电极与上述第一光活性层之间的P-型缓冲层以及位于上述第二光活性层与上述第二电极之间的P-型缓冲层中的至少一种。
12.根据权利要求10或11所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，上述P-型缓冲层为上述传导性高分子电极的高分子物质与极性溶剂的混合物的固化物或P-型金属氧化物。
13.根据权利要求12所述的层压型并联有机太阳能电池，其特征在于，上述ρ-型金属氧化物为Mo03、V2O5, NiOx或它们的混合物。
全文摘要
本发明提供一种层压型并联有机太阳能电池。上述层压型并联有机太阳能电池包括第一电极；第一光活性层，其位于上述第一电极上；传导性高分子电极，其位于上述第一光活性层上；第二光活性层，其位于上述传导性高分子电极上；第二电极，其位于上述第二光活性层上；以及连接部，其从上述第二电极沿着上述第一电极方向取向而以电连接的方式将上述第一电极和上述第二电极连接起来。根据本发明，能够通过增加光电流来提高电池的能量转换效率。并且由于使用能够进行溶液工序的传导性高分子来形成中间电极，并使得元件自身具有并联结构，因而具有能够简化制造工序并节减制造成本的优点。
文档编号H01L31/042GK102473842SQ201080026665
公开日2012年5月23日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者朴成钦, 李光熙, 金正换 申请人:光州科学技术院