[发明专利]一种聚合物太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种新型结构聚合物太阳能电池及其制备方法。

背景技术

聚合物太阳能电池又被称为有机太阳能电池。有机高分子聚合物具有加工容易，价格便宜，具有能够制作大面积柔性器件的特性。使用有机共轭高分子制作的聚合物太阳能电池具有全固态的特征，易于制备，并且其中的纳米结构的尺寸、形状和表面性质可用化学方法调节，极具潜在的应用价值。聚合物太阳能电池目前是太阳能电池研究热点之一。

然而由于聚合物太阳能电池电荷分离机理及载荷传输距离的限制，目前聚合物太阳能电池普遍采用有机共轭聚合物和富勒烯衍生物组成的被称为体异质结的双贯穿结构作为活性层完成光电转换，这种结构最早是由Yu和Heeger等（G. Yu, J. Gao,J. C. Hummelen, Science,1995, 270, 1789）创造性地使用的，但仍受制于载荷传输距离的限制不能制作活性层厚度较大的电池。同时，由于在传统的聚合物太阳能电池工艺中，活性层在旋涂有PEDOT:PSS(一种空穴传递材料)的ITO透明导电玻璃上进行旋涂，上层热蒸镀覆盖一层低功函数的金属作为负极，在这种结构上酸性的PEDOT:PSS与ITO的直接接触以及低功函数金属的使用会降低电池的寿命。由此出现了反转电池的结构，在这种结构中ITO玻璃上为一层低功函数材料，而作为空穴收集材料的PEDOT:PSS或其他高功函数材料则转移到了相对的电极，这样ITO玻璃成为负极，相对的正电极材料通常为金或者银。

直接覆盖在透明导电玻璃上的载荷收集层可以采用碱金属化合物或者过渡金属化合物，如Cs₂CO₃、ZnO、TiO₂。此外，沉积在透明导电玻璃上的电子收集材料可以具有一定的纳米结构，例如TiO₂纳米管结构（G. K. Mor, K. Shankar, M. Paulose, O. K. Varghese, C. A. Grimes, Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 152111），有助于载荷的分离以及在分离后载荷传递的定向性，有效地提高了光电流密度和电池的光电转换效率。

德克萨斯州大学及分子制膜有限公司申请了使用压印光刻技术制作纳米结构用于太阳能电池的专利（中国专利公开号CN101952970A）；江苏华创光电科技有限公司申请了一维阵列纳米材料在半导体薄膜太阳能电池中应用的专利（中国专利公开号CN101820010A）。目前在科研领域纳米材料的结构研究也是热点，但对于适用简易方法生长获得的半导体氧化物纳米棒阵列结构在体异质结聚合物太阳能电池中的应用目前仍未见相关文献报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型结构聚合物太阳能电池及其制备方法，特点在于提出一种聚合物太阳能电池载荷收集层材料的制备方法并应用于反转结构电池中，以改善聚合物太阳能电池活性层的载荷分离以及载荷的传输和收集，抑制复合，增大电池的短路电流密度，最终获得效率明显改善的聚合物太阳能电池。

本发明提出的聚合物太阳能电池为反转结构，包括以下部分：（1）透明导电基板；（2）电子收集层；（3）活性层；（4）空穴收集层；（5）金属电极，其特征在于：该聚合物太阳能电池的电子收集层分为两层，第一电子收集层为覆盖在所述透明导电基板上的二维平面薄膜，第二电子收集层设在所述第一电子收集层上，所述第二电子收集层为具有一维纳米阵列结构的薄膜。

上述电池结构中，一维纳米阵列结构薄膜空隙中填充所述活性层，且活性层厚度高于一维纳米阵列长度10～200nm。

上述电池结构中，所述的一维纳米阵列结构包括但不限于纳米棒阵列、纳米线阵列等柱体阵列结构。该阵列其一维结构长度为50～2000nm，直径为10～200nm，阵列的间隙尺寸为10～1000nm。

上述电池结构中，所述的第一电子收集层厚度为1nm～200nm。

上述电池结构中，所述的电子收集层（第一电子收集层及第二电子收集层）材料包括但不限于TiO₂、ZnO、SnO₂等半导体氧化物及其掺杂物。

上述电池结构中，所述的透明导电基板包括但不限于FTO玻璃、ITO玻璃、AZO玻璃等刚性基板，以及ITO-PEN等柔性基板。