太阳能电池器件及其制备方法
【专利摘要】一种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与6,6-苯基-C61-丁酸甲酯的混合物，所述阴极包括层叠于所述电子缓冲层表面的金属透过层、层叠于所述金属透过层表面的金属氧化物层及层叠于所述金属氧化物层表面的金属导电层，所述金属透过层的材料为铝、银、金或铂，所述金属氧化物层的材料为二氧化钛、氧化锌或五氧化二钒，所述金属导电层的材料为铝、银、金或铂，所述金属透过层的厚度为5nm～20nm，所述金属导电层的厚度为200nm～500nm。该太阳能电池器件的能量转换效率较高。此外，还提供了一种太阳能电池器件的制备方法。
【专利说明】太阳能电池器件及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能电池器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能电池器件由于具有廉价、清洁、可再生等优点而得到了广泛的应用。目前常 用的太阳能电池器件结构包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及阴极。 活性层的激子分离产生空穴和电子后，空穴到达阳极，电子到达阴极，从而被电极收集，形 成有效的能量转换。目前，传统的太阳能电池的能量转换效率较低。
【发明内容】
[0003] 基于此，有必要提供一种能量转换效率较高的太阳能电池器件及其制备方法。
[0004] -种太阳能电池器件，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子缓冲层及 阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与6, 6-苯基-C61_ 丁酸甲酯的混合物，所述阴 极包括层叠于所述电子缓冲层表面的金属透过层、层叠于所述金属透过层表面的金属氧化 物层及层叠于所述金属氧化物层表面的金属导电层，所述金属透过层的材料为铝、银、金或 钼，所述金属氧化物层的材料为二氧化钛、氧化锌或五氧化二钒，所述金属导电层的材料为 错、银、金或钼，所述金属透过层的厚度为5nm?20nm，所述金属导电层的厚度为200nm? 500nm〇
[0005] 在优选的实施例中，所述金属氧化物层的厚度为50nm?200nm。
[0006] 在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的材料为聚3, 4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸 盐的混合物。
[0007] 在优选的实施例中，所述电子缓冲层的材料为叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂或碳酸 铯。
[0008] 在优选的实施例中，所述活性层中所述聚3-己基噻吩与所述6, 6-苯基_C61-丁酸 甲酯的质量比为1:0. 5?1:4。
[0009] 一种太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：
[0010] 在阳极表面上旋涂制备空穴缓冲层；
[0011] 在所述空穴缓冲层上旋涂含有聚3-己基噻吩及6, 6-苯基-c61-丁酸甲酯的溶液， 形成活性层；
[0012] 在所述活性层的表面依次蒸镀制备电子缓冲层；
[0013] 在所述电子缓冲层表面蒸镀制备金属透过层，所述金属透过层的材料为铝、银、金 或钼，所述金属透过层的厚度为5nm?20nm ;
[0014] 在所述金属透过层表面蒸镀制备金属氧化物层，所述金属氧化物层的材料为二氧 化钛、氧化锌或五氧化二钒；及
[0015] 在所述金属氧化物层表面蒸镀制备金属导电层，所述金属透过层、金属氧化物层 及金属导电层组成阴极，所述金属导电层的材料为铝、银、金或钼，所述金属导电层的厚度 为 200nm ?500nm。
[0016] 在优选的实施例中，所述金属氧化物层的厚度为50nm?200nm。
[0017] 在优选的实施例中，所述空穴缓冲层的材料为聚3, 4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸 盐的混合物。
[0018] 在优选的实施例中，所述电子缓冲层的材料为叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂或碳酸 铯。
[0019] 在优选的实施例中，所述活性层中所述聚3-己基噻吩与所述6, 6-苯基_C61-丁酸 甲酯的质量比为1:0. 5?1:4。
[0020] 上述太阳能电池器件及其制备方法，由金属与金属氧化物形成三层复合结构的阴 极，阴极由依次层叠的金属透过层、金属氧化物层及金属导电层组成，金属透过层主要是通 过较薄的厚度，来保证光线的透过，将没有被活性层吸收的光线得以透过，而金属氧化物层 主要采用二氧化钛等大粒径，比表面积较大的材料组成，通过蒸镀，在金属透过层之上形成 一层凹凸状的颗粒膜层结构，增加金属透过层表面的粗糙度，这种形状可使透过的光线进 行散射，改变光子方向，使光子与阴极金属自由电子的复合损失降低(这种复合会产生光损 失，一般是由垂直光子与平行的自由电子作用而产生)，然后再制备一层金属导电层，主要 是由较厚的厚度来提高导电性，而厚度的提高而使光线可进行反射，提高阴极反射率，从而 回到活性层再被吸收利用，从而提高光电转换效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为一实施例的太阳能电池器件的结构示意图；
[0022] 图2为一实施例的太阳能电池器件的制备方法流程图；
[0023] 图3为实施例1的太阳能电池器件及传统的太阳能电池器件的电流密度与电压关 系图。
【具体实施方式】
[0024] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中 给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所 描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0025] 请参阅图1，一实施例的太阳能电池器件100包括依次层叠的阳极10、空穴缓冲层 20、活性层30、电子缓冲层40及阴极50。
[0026] 阳极10为铟锡氧化物玻璃（ΙΤ0)、掺氟的氧化锡玻璃（FT0)，掺铝的氧化锌玻璃 (ΑΖ0)或掺铟的氧化锌玻璃（ΙΖ0)。
[0027] 空穴缓冲层20形成于阳极10表面。空穴缓冲层20的材料为聚3, 4-二氧乙烯噻 吩（PED0T)与聚苯磺酸钠（PSS)的混合物。其中PED0T与PSS的质量比为2:1?6:1，优选 为2:1。空穴缓冲层20的厚度为20nm?80nm，优选为50nm。
[0028] 活性层30形成于空穴缓冲层20表面。活性层30的材料为聚3-己基噻吩（P3HT) 与6,6_苯基-C 61-丁酸甲酯（PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC61BM的质量为1:0.5?1:4， 优选为1:2. 5。活性层30的厚度为100nm?300nm，优选为140nm。
[0029] 电子缓冲层40形成于活性层30表面。电子缓冲层40的材料选自叠氮化铯（CsN3)、 氟化锂（LiF)、碳酸锂（Li2C03)及碳酸铯（Cs2C0 3)中的至少一种，优选为LiF。电子缓冲层 40的厚度为0· 5nm?10nm，优选为0· 7nm。
[0030] 阴极50形成于电子缓冲层40表面。阴极50包括形成于层叠于电子缓冲层40表 面的金属透过层52、层叠于金属透过层52表面的金属氧化物层54及层叠于金属氧化物层 54表面的金属导电层56。
[0031] 金属透过层52的材料为铝（A1)、银（Ag)、金（Au)或钼（Pt)。金属透过层52的厚 度为5nm?20nm。
[0032] 金属氧化物层54的材料为二氧化钛（Ti02)、氧化锌（ZnO)或五氧化二钒（V 205)。金 属氧化物层的厚度为50nm?200nm。
[0033] 金属导电层56的材料为错（A1)、银（Ag)、金（Au)或钼（Pt)。金属导电层56的厚 度为 200nm ?500nm。
[0034] 该太阳能电池器件100,由金属与金属氧化物形成三层复合结构的阴极，阴极由依 次层叠的金属透过层、金属氧化物层及金属导电层组成，金属透过层主要是通过较薄的厚 度，来保证光线的透过，将没有被活性层吸收的光线得以透过，而金属氧化物层主要采用二 氧化钛等大粒径，比表面积较大的材料组成，通过蒸镀，在金属透过层之上形成一层凹凸状 的颗粒膜层结构，增加金属透过层表面的粗糙度，这种形状可使透过的光线进行散射，改变 光子方向，使光子与阴极金属自由电子的复合损失降低(这种复合会产生光损失，一般是由 垂直光子与平行的自由电子作用而产生)，然后再制备一层金属导电层，主要是由较厚的厚 度来提高导电性，而厚度的提高而使光线可进行反射，提高阴极反射率，从而回到活性层再 被吸收利用，从而提高光电转换效率。
[0035] 需要说明的是，上述太阳能电池器件100还可以根据需要设置其他功能层。
[0036] 请同时参阅图2, 一实施例的太阳能电池器件100的制备方法，其包括以下步骤：
[0037] 步骤S110、在阳极10表面旋涂制备空穴缓冲层20。
[0038] 阳极10为铟锡氧化物玻璃（ΙΤ0)、掺氟的氧化锡玻璃（FT0)，掺铝的氧化锌玻璃 (ΑΖ0)或掺铟的氧化锌玻璃（ΙΖ0)。
[0039] 本实施方式中，对阳极10前处理包括去除阳极10表面的有机污染物及对阳极 10进行等氧离子处理。将阳极10采用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙酮各超声波清 洗15min，以去除基底10表面的有机污染物；对阳极10进行等氧离子处理时间为5min? 15min，功率为10?50W。
[0040] 空穴缓冲层20通过在阳极10表面旋涂含有空穴缓冲材料的溶液制备。旋涂的转 速为2000rpm?6000rpm，时间为10s?30s，优选的，旋涂的转速为3000rpm，时间为20s。 空穴缓冲材料为聚3, 4-二氧乙烯噻吩（PED0T)与聚苯磺酸钠 （PSS)的混合物。其中PED0T 与PSS的质量比为2:1?6:1，优选为2 :1。含有空穴缓冲材料的溶液中PED0T的质量百分 含量为1%?5%，优选为3. 5%，溶剂为水。旋涂后在100°C?200°C下加热15分钟?60分 钟，优选在200°C下加热30分钟。空穴缓冲层20的厚度为20nm?80nm，优选为50nm。
[0041] 步骤S120、在空穴缓冲层20表面旋涂制备活性层30。
[0042] 活性层30由活性层溶液旋涂在空穴缓冲层20表面制成。旋涂的转速为 3000rpm?6000rpm，时间为10s?30s，优选的，旋涂转速为4000rpm，时间为10s。活性层 溶液中活性层材料的浓度为8mg/ml?30mg/ml，优选为25mg/ml。活性层溶液的溶剂选自 甲苯、二甲苯、氯苯及氯仿中的至少一种，优选为氯苯。活性层材料为聚3-己基噻吩（P3HT) 与6,6_苯基-C61-丁酸甲酯（PC61BM)的混合物。其中P3HT:PC61BM的质量为1:0.5?1:4， 优选为1:2. 5。旋涂活性层30在充满惰性气体的手套箱中进行，之后在50°C?200°C下退 火5分钟?100分钟，优选在100°C下退火20分钟。活性层30的厚度为100nm?300nm， 优选为140nm。
[0043] 步骤S130、在活性层30的表面蒸镀制备电子缓冲层40。
[0044] 电子缓冲层40形成于活性层30表面。电子缓冲层40的材料选自叠氮化铯（CsN3)、 氟化锂（LiF)、碳酸锂（Li 2C03)及碳酸铯（Cs2C03)中的至少一种，优选为LiF。电子缓冲层 40的厚度为0· 5nm?10nm，优选为0· 7nm。
[0045] 蒸镀在真空压力为3X 1(Γ3?2X l(T5Pa下进行，蒸镀速率为0· lnm/s?lnm/s。
[0046] 步骤S140、在电子缓冲层40表面蒸镀制备金属透过层52。
[0047] 金属透过层52的材料为铝（A1)、银（Ag)、金（Au)或钼（Pt)。金属透过层52的厚 度为5nm?20nm。
[0048] 优选的，蒸镀在真空压力为3ΧΚΓ3?2Xl(T5Pa下进行，蒸镀速率为lnm/s? 10nm/s 〇
[0049] 步骤S150、在金属透过层52的表面蒸镀制备金属氧化物层54。
[0050] 金属氧化物层54的材料为二氧化钛（Ti02)、氧化锌（ZnO)或五氧化二钒（V 205)。金 属氧化物层的厚度为50nm?200nm。
[0051] 金属氧化物层54采用电子束蒸镀制备。电子束蒸镀的能量密度为lOW/cm2? 100W/cm 2。
[0052] 步骤S160、在金属氧化物层54的表面蒸镀制备金属导电层56。
[0053] 金属导电层56的材料为错（A1)、银（Ag)、金（Au)或钼（Pt)。金属导电层56的厚 度为 200nm ?500nm。
[0054] 优选的，蒸镀在真空压力为3ΧΚΓ3?2Xl(T5Pa下进行，蒸镀速率为lnm/s? 10nm/s 〇
[0055] 上述太阳能电池器件制备方法，制备工艺简单，制备的太阳能电池器件的能量转 换效率较高。
[0056] 以下结合具体实施例对本发明提供的太阳能电池器件的制备方法进行详细说明。
[0057] 本发明实施例及对比例所用到的制备与测试仪器为：高真空镀膜设备(沈阳科学 仪器研制中心有限公司，压强<lXl(T 3Pa)、电流-电压测试仪(美国Keithly公司，型号： 2602)、用500W氙灯（Osram)与AM1. 5的滤光片组合作为模拟太阳光的白光光源。
[0058] 实施例1
[0059] 本实施例制备的结构为：IT0/PED0T:PSS/P3HT:PC61BM/LiF/Al/Ti0 2/Al 的太阳能 电池器件。其中，"/"表示层叠结构，"："表示掺杂或混合，以下实施例相同。
[0060] 先将ΙΤ0进行光刻处理，剪裁成所需要的大小，依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙 醇，异丙醇各超声15min，去除玻璃表面的有机污染物；清洗干净后对导电基底进行氧等离 子处理，处理时间为l〇min，功率为20W ;旋涂制备空穴缓冲层，材料为PED0T:PSS的质量比 为2:1，PED0T的质量分数为3. 5%，旋涂的转速为3000rpm，时间为20s，旋涂后在200°C下 加热30min，厚度为50nm ;旋涂活性层，活性层由浓度为25mg/ml的P3HT及PC61BM的溶液 旋涂而成，溶剂为氯苯，P3HT与PC61BM的质量比为1:2. 5,旋涂的转速为4000rpm，时间为 l〇s，旋涂后在KKTC下退火20分钟，厚度控制在140nm。然后蒸镀制备电子缓冲层，材料为 LiF，厚度为0. 7nm，蒸镀在真空压力为5X l(T4Pa下进行，蒸镀速率为0. 2nm/s ;蒸镀阴极， 阴极包括依次层叠的金属透过层、金属氧化物层及金属导电层，先制备金属透过层，为A1， 采用热蒸镀制备，厚度为l〇nm，接着制备金属氧化物层，材料为Ti0 2，为电子束蒸镀，厚度为 lOOnm，最后制备金属导电层，材料为A1，采用热蒸镀制备，厚度为300nm，蒸镀在真空压力 为5X l(T4Pa下进行，热蒸镀速率为4nm/s，电子束蒸镀的能量密度为50W/cm2。最后得到所 要的聚合物太阳能电池器件。
[0061] 请参阅图3,所示为实施例1中制备的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC 61BM/LiF/ Al/Ti02/Al的太阳能电池器件（曲线1)与传统的结构为ITO/PEDOT :PSS/P3HT:PCBM/LiF/ A1太阳能电池器件（曲线2)的电流密度与电压关系，表1所示为实施例1中制备的结构 为IT0/PED0T :PSS/P3HT:PC61BM/LiF/Al/Ti02/Al的太阳能电池器件与传统的结构为ITO/ PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al太阳能电池器件的电流密度、电压、能量转换效率（η )及填 充因子数据。传统的太阳能电池器件中各层厚度与实施例1制备的太阳能电池器件中各层 厚度相同。
[0062] 表 1
[0063]
【权利要求】
1. 一种太阳能电池器件，其特征在于，包括依次层叠的阳极、空穴缓冲层、活性层、电子 缓冲层及阴极，所述活性层的材料为聚3-己基噻吩与6, 6-苯基-c61- 丁酸甲酯的混合物， 所述阴极包括层叠于所述电子缓冲层表面的金属透过层、层叠于所述金属透过层表面的金 属氧化物层及层叠于所述金属氧化物层表面的金属导电层，所述金属透过层的材料为铝、 银、金或钼，所述金属氧化物层的材料为二氧化钛、氧化锌或五氧化二钒，所述金属导电层 的材料为铝、银、金或钼，所述金属透过层的厚度为5nm?20nm，所述金属导电层的厚度为 200nm ?500nm。
2. 根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述金属氧化物层的厚度为 50nm ?200nm〇
3. 根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述空穴缓冲层的材料为聚 3, 4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
4. 根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述电子缓冲层的材料为叠 氮化铯、氟化锂、碳酸锂或碳酸铯。
5. 根据权利要求1所述的太阳能电池器件，其特征在于：所述活性层中所述聚3-己基 噻吩与所述6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯的质量比为1:0.5?1:4。
6. -种太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 在阳极表面上旋涂制备空穴缓冲层； 在所述空穴缓冲层上旋涂含有聚3-己基噻吩及6, 6-苯基-C61-丁酸甲酯的溶液，形成 活性层； 在所述活性层的表面依次蒸镀制备电子缓冲层； 在所述电子缓冲层表面蒸镀制备金属透过层，所述金属透过层的材料为铝、银、金或 钼，所述金属透过层的厚度为5nm?20nm ; 在所述金属透过层表面蒸镀制备金属氧化物层，所述金属氧化物层的材料为二氧化 钛、氧化锌或五氧化二钒；及 在所述金属氧化物层表面蒸镀制备金属导电层，所述金属透过层、金属氧化物层及 金属导电层组成阴极，所述金属导电层的材料为铝、银、金或钼，所述金属导电层的厚度为 200nm ?500nm。
7. 根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述金属氧化物 层的厚度为50nm?200nm。
8. 根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，所述空穴缓冲层的材料为聚 3, 4-二氧乙烯噻吩与聚苯磺酸盐的混合物。
9. 根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述电子缓冲层 的材料为叠氮化铯、氟化锂、碳酸锂或碳酸铯。
10. 根据权利要求6所述的太阳能电池器件的制备方法，其特征在于：所述活性层中所 述聚3-己基噻吩与所述6, 6-苯基-C61- 丁酸甲酯的质量比为1:0. 5?1:4。
【文档编号】H01L31/0224GK104253165SQ201310264315
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】周明杰, 黄辉, 冯小明, 王平 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, 深圳市海洋王照明工程有限公司