[实用新型]一种叠层有机薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及叠层有机太阳能电池技术领域。

背景技术

太阳能是地球上取之不尽、用之不竭的绿色能源。经过50多年的研究，以单晶硅为基础的太阳能电池技术发展已经成熟，但单晶硅(99.999%)成本过高的问题严重制约它的应用和发展，促使人们开发成本更低、基于薄膜材料的太阳能电池。由于有机薄膜能太阳电池的制造工艺简单，同时具有重量轻、小型、柔性和低成本等突出特点而得到了人们的极大关注。然而当前使用较多的有机太阳能电池有源层材料的带隙比Si和其他无机薄膜材料要大（Si带隙1.12 eV，铜酞菁（Copper Phthalocyanine，CuPc）带隙1.7 eV，Pentacene（并五苯）带隙1.9 eV，Poly(3-hexylthiophene) （聚噻吩P3HT）带隙1.9 eV），导致吸收光波长范围相对较小，迁移率比较低（Si迁移率大于200 cm²/Vs，有机材料约10^-2~10^-5 cm²/Vs），并且有机太阳能电池导电机制中增加了激子扩散的中间过程，激子扩散长度一般小于25 nm，导致太阳能电池能量转换效率比较低，离有机太阳电池的商用还有一段距离。

目前有相当多的研究通过叠层有机太阳能电池（从光入射侧开始，将有源层宽带隙到窄带隙的多个电池顺序叠层作为一个整体），可以提高器件对整个太阳光谱的吸收效率，减少非吸收损耗和热振动损耗，提高电池开路电压。

喹吖定酮通常作为颜料，是一类高性能有机颜料，该类颜料色泽鲜艳，耐有机溶剂和耐热性好，耐晒性和耐气候性优良，在各种塑料中不迁移，主要用于塑料、涂料、树脂、涂料印花、油墨、橡胶的着色，也用于合成纤维的原浆着色。喹吖定酮作为一种廉价而稳定的有机材料，具有良好的热、化学稳定性和优良的光电特性，在光电器件应用方面喹吖定酮及其衍生物在有机发光器件已经取得了广泛的应用。然而有关喹吖定酮制备场效应晶体管和给-受体异质结型太阳能电池的研究还相对比较少。特别是目前还没有利用喹吖定酮为电子给体制备叠层太阳能电池的相关报道，申请号为201010559437.0的专利文献公开了一种腈取代喹丫啶酮类材料，但是该文献是将喹丫啶酮材料作为电子受体来使用在太阳能电池中。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请人公布了一种叠层有机薄膜太阳能电池。本实用新型成本低，制备的太阳能电池实现了在可见光区域的全吸收。

本实用新型的技术方案如下：

一种叠层有机薄膜太阳能电池，其结构为：

以N,N’-双取代-1,3,8,10-四甲基喹吖啶酮材料为太阳能电池的底层光吸收活性层，以铜酞菁（CuPc）为太阳能电池的顶层光吸收活性层，以富勒烯（C60）为太阳能电池的电子受体，并以TiO_x/PEDOT:PSS为太阳能电池的接触中间层。

其具体的叠层结构依次为：

Al电极、C60层、CuPc层、TiO_x/PEDOT:PSS层、C60层、N,N’-双取代-1,3,8,10-四甲基喹吖啶酮层、氧化铟锡玻璃。

太阳能电池各层的涂敷方法为：

首先采用真空蒸镀在洗涤好的氧化铟锡玻璃上分别依次蒸发N,N’-双取代-1,3,8,10-四甲基喹吖啶酮层（10~20nm）和C60（20~40nm），然后用旋转涂布方法依次制备PEDOT:PSS薄膜（50~100nm）和TiO_x薄膜（50~100nm），再分别真空蒸镀CuPc（20~30nm）和C60（40~60nm），最后蒸镀Al电极。

所述N,N’-双取代-1,3,8,10-四甲基喹吖啶酮的制备方法如下：

（1）3,5-二甲基苯胺4~6份和2,5-二羟基对苯二甲酸乙酯4~6份在80~120份无水乙醇中充分回流混合，所得产品过滤后，分散在氯萘中，在氩气保护下，200~300℃搅拌加热回流2~5小时；

（2）用碳酸钾溶液过滤洗涤步骤（1）所得粗产物8~10份，然后将过滤洗涤所得产物在12~20份乙醇和5~10份醋酸混合溶液中搅拌分散，再添加5~12份硝基苯、2~8份固体KOH和1~4份二甘醇一甲醚，50~100℃搅拌反应6~8小时，产物经过柱层析纯化得到1,3,8,10-四甲基喹吖啶酮；