专利名称：聚合物太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种聚合物太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
众所周知，太阳光照具有取之不尽用之不竭的能量，许多年来，人们一直不断寻求利用太阳能的方法和系统。由于目前的生产和生活上众多领域仍然采用地球上有限的消耗性资源，例如石油等，因此，开发利用太阳能就显得愈显重要和迫切。目前，太阳能电池领域一直由硅太阳能电池占据着主导地位，单晶硅太阳能电池 (非聚光)的能量转换效率可以达到以上，但是硅材料的成本一直居高不下，使其无法真正大规模推广使用。所以，真正可以得到大范围推广的新型能源一定首先应是低成本的绿色能源。近二十多年来，有机太阳能电池凭借其低廉的成本、简单的制造工艺，以及可折叠、柔韧性好等优点，已经成为新能源研究领域中的一大热点，也被认为是二十一世纪真正有可能解决能源问题的低成本太阳能电池。随着导电聚合物的发现，聚合物太阳能电池也逐渐发展起来了。而聚合物太阳能电池的制备工艺更加简单，可以采用丝网印刷、喷墨打印等溶液湿法制备，这就大大降低了其工艺成本，非常适合大面积电池板的制备以及大规模的工业化生产，因此也得到了越来越多科研单位和企业的关注。进入二十一世纪以来，聚合物太阳能电池的效率呈现飞速上升的趋势。虽然，目前聚合物太阳能电池的效率已经取得了重大的进展，但是其距离规模化生产和推广应用还有一段差距。制约其能量转换效率的因素有很多，其中电池的光谱响应范围与太阳光地面辐射光谱不匹配、聚合物材料本身的较低的载流子迁移率以及载流子的传输效率低等是比较重要的几个原因。目前聚合物太阳能电池对太阳光的吸收主要集中在可见光区域(波长范围 380nm-780nm)，以常用的P3HT:PCBM为例，其对太阳光谱的高效吸收波段在480_680nm。因此，目前聚合物太阳能电池对太阳能的利用率较低，从而使得其能量转换效率难以获得较大提高。
发明内容
有鉴于此，提供一种太阳能利用率高、电学性能强的聚合物太阳能电池，以及一种工艺简单、成本低的聚合物太阳能电池制造方法。一种聚合物太阳能电池，其包括光反射性电极、形成于所述光反射性电极上的光敏层、形成于所述光敏层上的透明电极，还包括形成于所述透明电极上的下转换结构，以及位于所述透明电极和下转换结构之间的透明绝缘层，所述下转换结构包括对光谱具有下转换功能的下转换材料。以及，一种聚合物太阳能电池制造方法，其包括如下步骤提供一透明绝缘层，所述透明绝缘层具有相对的第一表面和第二表面；
在所述透明绝缘层的第一表面上形成透明电极；在所述透明电极上形成光敏层；在所述光敏层上形成光反射性电极；在所述透明绝缘层的第二表面上形成下转换结构，使得透明绝缘层位于所述透明电极和下转换结构之间，所述下转换结构包括对光谱具有下转换功能的下转换材料。在所述聚合物太阳能电池中，一方面，通过设置下转换结构，利用下转换材料的光谱转换功能，将不能被电池充分吸收利用的光，例如高能量紫外波段光子转换为较低能量的可见光波段光子，提高了聚合物太阳能电池对太阳光能的吸收利用率，从而可以改善其光电转换性能。另一方面，在下转换结构与透明电极之间有一层透明绝缘层，可以保证下转换层与太阳能电池在电学上的相对独立，避免了下转换材料对太阳能电池光电转换的不利影响，增强聚合物太阳能电池的电学性能。此外，由于紫外光被转化成可吸收的光子，从而消除紫外光对电池产生载流子热效应不利的影响，进一步促进聚合物太阳能电池的能量转换效率。在聚合物太阳能电池制造方法中，按照预定步骤形成各层结构，其工艺步骤简单， 生产成本低，具有广阔的应用前景。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是本发明实施例的聚合物太阳能电池的结构示意图；图2是本发明实施例的聚合物太阳能电池制造方法流程图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参阅图1，显示本发明实施例的聚合物太阳能电池结构。本实施例的聚合物太阳能电池10包括光反射性电极11、形成于光反射性电极11上的光敏层13、形成于光敏层 13上的透明电极16以及形成于透明电极16上的下转换结构18，在透明电极16和下转换结构18之间还形成有透明绝缘层17，该下转换结构18包括对光谱具有下转换功能的下转换材料。光反射性电极11可采用高反射率材料，其可以是但不限于金属或金属合金材料， 例如，可以是但不限于Au、Ag、Al、Ca-Al或Mg-Ag等。在其他一些实施例中，光反射性电极 11还可以是包含ITO或ZnO等金属氧化物的高反射率电极。本实施例中，光反射性电极11 为层状结构，称为薄膜电极，厚度为微米或纳米级，例如但不限于50纳米-2微米，优选为 100-200纳米。在一个具体实施例中，光反射性电极11可形成有条纹电极图样，例如可以为长直条纹状。光反射性电极11可以作为电池的阴极或阳极。在本实施例中，光敏层13采用混合异质结结构，通过将电子给体材料和电子受体材料以预定比例混合而成，例如，电子给体和受体材料按照质量比1 0.1 1 10，优选地，质量比范围为1 0.5 1 2。因此，该混合异质结结构是电子给体材料和电子受体材料的混合体，两种材料相互混合掺杂，电子给体材料和电子受体材料相互均勻分布并混合在一起。本实施例的混合异质结结构是具有大面积电荷产生界面的由电子给体和电子受体形成的网络矩阵结构，是电池中光生激子，并拆分成自由的电子和空穴载流子，并输出光电流的主要区域，其可通过例如旋涂制膜的方法，从而使其中的给体材料和受体材料形成较好的均勻相，保证光电流的顺利导出。当然也可以采用真空镀膜或溅射的方法制备，并不限于此。上述电子给体材料可以是聚对苯撑乙烯(PPV)或其衍生物、聚噻吩材料、聚芴材料、聚咔唑材料或聚双噻吩环戊烷材料以及其他聚合物材料。其中，聚对苯撑乙烯(PPV) 或其衍生物可以是例如聚[2-甲氧基-5-(2’ -乙烯基-己氧基)聚对苯乙烯撑](简写为甲氧基-5-(3' ,7' - 二甲基辛氧基)-1，4_对苯撑乙烯(简写为 MDM0-PPV)；聚噻吩材料可以是例如聚(3-己基噻吩)(简写为P3HT)等；聚芴材料可以是例如含苯并噻二唑单元和芴单元的共聚物等；聚咔唑材料可以是例如含苯并噻二唑单元和咔唑的共聚物等，聚双噻吩环戊烷材料可以是例如含苯并噻二唑单元和双噻吩的共聚物等； 其他聚合物材料可以是但不限于含喹喔啉、噻吩并吡咯和噻吩并吡嗪等单元的聚合物等。 其中电子受体材料可以为但不限于聚茈酰亚胺材料、C6(I、C6(I衍生物(如PCBM) ,C70或C7tl衍生物(如 PC7tlBM)。光敏层13是整个电池吸收光子产生光电流、光电压的光敏区域。光敏层13的厚度可以为纳米级，例如但不限于10-200纳米，优选为20-160纳米。在图示的实施例中，分别在光敏层13两侧设置有缓冲层，即包括位于光反射性电极11与光敏层13之间的第一缓冲层12，以及位于光敏层13与透明电极16之间的第二缓冲层15。该第一、第二缓冲层12、15的材料是相同或不同的以下化合物中的至少一种聚合物导电薄膜、打仏二^-二甲基-么了-二苯基-丄，川-菲咯啉(简称为BCP)、Alq3、LiF、 CuPc。聚合物导电薄膜可以是但不限于聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸)(简称为PED0T:PSS)、BCP或者Alq3。其中Alq3和BCP分别是下面结构式(A)和(B)表示的化
合物
权利要求
1.一种聚合物太阳能电池，其包括光反射性电极、形成于所述光反射性电极上的光敏层、形成于所述光敏层上的透明电极，其特征在于，还包括形成于所述透明电极上的下转换结构，以及位于所述透明电极和下转换结构之间的透明绝缘层，所述下转换结构包括对光谱具有下转换功能的下转换材料。
2.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述下转换材料包括单掺或双掺稀土离子的卤化物、氧化物、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、钒酸盐中的至少一种。
3.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述下转换材料包括单掺或双掺稀土离子的 YF3、LiGdF4, KYF4, LiYF4, K2GdF5, BaF2, LaVO4, GdBO3> GdAl3 (BO3) 4。
4.如权利要求2或3所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述单掺稀土离子包括 Er3+、Tb3+、Eu3+、ft·3+、Tm3+、Gd3+ 或 Nd3+，所述双掺稀土离子包括 Tb3+/Yb3、Pr3+/Yb3\ Gd+3/Eu3+ 或 Tm3+Ab3+。
5.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述下转换结构为包括有机材料及分散于有机材料中的下转换材料的薄膜，或者采用氧化物薄膜包覆下转换材料的复合结构。
6.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，还包括形成于所述光反射性电极与光敏层之间的第一缓冲层以及形成于所述光敏层与透明电极之间的第二缓冲层，所述第一、第二缓冲层的材料选自聚合物导电薄膜、Ti0x、2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲咯啉、Alq3、LiF、CuPc中的至少一种。
7.如权利要求1所述的聚合物太阳能电池，其特征在于，所述下转换材料包括双掺稀土离子的卤化物、氧化物、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、钒酸盐或者它们的组合物，所述双掺稀土离子包括Tb3+/Yb3、Pr3+/Yb3\ Gd+3/Eu3+或Tm3+/Yb3+，在双掺的稀土离子中，两种稀土离子混合摩尔比例为1 0. 1 1 1。
8.一种聚合物太阳能电池制造方法，其包括如下步骤提供一透明绝缘层，所述透明绝缘层具有相对的第一表面和第二表面；在所述透明绝缘层的第一表面上形成透明电极；在所述透明电极上形成光敏层；在所述光敏层上形成光反射性电极；在所述透明绝缘层的第二表面上形成下转换结构，使得透明绝缘层位于所述透明电极和下转换结构之间，所述下转换结构包括对光谱具有下转换功能的下转换材料。
9.如权利要求8所述的聚合物太阳能电池制造方法，其特征在于，所述下转换材料包括单掺或双掺稀土离子的卤化物、氧化物、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、钒酸盐或者它们的组合物，所述单掺稀土离子包括Er3+、Tb3+、Eu3+、ft·3+、Tm3+、Gd3+或Nd3+，所述双掺稀土离子包括 Tb3+/Yb3、Pr3+/Yb3\ Gd+VEu3+ 或 Tm3+/Yb3+。
10.如权利要求8所述的聚合物太阳能电池制造方法，其特征在于，所述下转换结构通过将溶胶-凝胶法形成的下转换材料颗粒分散于有机材料中后一起涂覆于所述透明绝缘层的第二表面，或者采用化学共沉淀法将氧化物薄膜包覆下转换材料形成于所述透明绝缘层的第二表面。
全文摘要
本发明涉及太阳能电池领域，提供一种聚合物太阳能电池及其制造方法。该聚合物太阳能电池包括光反射性电极、形成于所述光反射性电极上的光敏层、形成于所述光敏层上的透明电极，还包括形成于所述透明电极上的下转换结构，以及位于所述透明电极和下转换结构之间的透明绝缘层，所述下转换结构包括对光谱具有下转换功能的下转换材料。在所述聚合物太阳能电池中，一方面，通过设置下转换结构，可提高电池光电转换性能；另一方面，通过设置透明绝缘层，可以保证下转换层与太阳能电池在电学上的相对独立，避免了下转换材料对太阳能电池光电转换的不利影响，增强聚合物太阳能电池的电学性能，具有广阔的应用前景。
文档编号H01L51/48GK102255047SQ201010178960
公开日2011年11月23日 申请日期2010年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者周明杰, 孙晓宇, 黄杰 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司