[发明专利]一种有机光伏电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机光伏电池，特别是涉及该有机光伏电池的结构及其制备方法。

背景技术

有机光伏电池由于重量轻、制备工艺简单、与柔性衬底相兼容、可采用湿法成膜的大面积制备技术等优点而备受青睐；并且其器件性能可通过合成和设计新型有机半导体材料进行调控。基于这些独特的优点，有机光伏电池成为近十几年来国内外小组研究最热门的领域之一。通过合成新窄带隙有机吸光材料和对器件结构的优化，目前有机光伏电池的效率已超过10%。目前在有机光伏电池中，吸光层主要采用的是一种基于给、受体材料混合的体相异质结结构。吸光层对入射光充分吸收是提高电池效率的关键。增加吸光层的厚度虽然能保证对光的增强吸收，但对改善有机光伏电池的性能却存在几个不利影响。一：由于有机半导体材料吸光后，产生的光生激子扩散长度有限约10nm，所以吸光层厚度的增加会导致大部分产生的光生激子在没有扩散到给体/受体分离界面就淬灭掉了。二：由于有机半导体材料的本征载流子迁移率低，吸光层厚度的增加导致分离后自由的电子和空穴复合几率增大，电池电流密度（J_sc）和填充因子（FF）降低。三：增加吸光层厚度会减弱电池内部的电场强度，不利于载流子的传输和收集，同时造成开路电压（V_oc）的下降。因此在不增加吸光层厚度的基础上，保证吸光层对入射光的充分吸收同时又不影响电池性能参数，成为提高有机光伏电池效率的关键。吸光层厚度的增加与电池性能参数（J_sc、FF、V_oc）的降低两者之间的矛盾，在光学上可通过增强“俘获”入射光的方法来达到光吸收增益的效果。通过合理的设计有机电池结构可以实现对光的有效管理，从而提高电池对光的吸收效率。即利用减反，增透，散射，干涉，共振等手段实现对光有效的管理，促进吸光层对入射光的有效吸收。因此，在已优化或者需要尽量减薄电池吸光层厚度的前提下，进一步增加吸光层对入射光的吸收对提升或者保持器件的整体性能将变得至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是本发明的目的是针对上述吸光层对光不能充分吸收的问题，发明了一种新型光管理的有机光伏电池的结构设计及制备方法。在不增加有机电池吸光层的厚度下，可以实现对入射太阳光的充分吸收，提高有机光伏电池的光电转换效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种有机光伏电池，包括依次层叠设置的入射面材料，吸光层和背面材料，所述入射面材料包括透明材料衬底、透明导电膜和修饰层，所述背面材料包括光学间隔层和具有高反射的金属电极，其特征在于：所述吸光层、光学间隔层和金属电极三者至少其中之一为绒面表面，反射效应Haze_反在700nm不低于5%，Haze_反=（R_总－R_直接)/R_总，R_总为光的总反射率，R_直接为光的直接反射率。

为了使入射面材料的组成和形貌特征起到对入射光短波方向的散射作用以提高光光的吸收效率，所述透明材料衬底、透明导电膜和修饰层至少其中一层为绒面表面，其表面粗糙度均方根（RMS）大于30nm；散射效应Haze_散在600nm不低于5%，Haze_散=(T_总－T_直接)/T_总，T_总为光的总透射率，T_直接为光的直接透射率。

优选地，所述修饰层为有利于空穴传输的材料PEDOT:PSS、氧化钼（MoO₃）或氧化钨（WO₃），或为有利于电子传输的氧化锌（ZnO）或氧化钛（TiO₂），其厚度均不大于100nm，光学透过率大于90%。

优选地，所述吸光层包括有机吸光给体材料和有机吸光受体材料，吸光层的结构为电子给体和受体的体相异质结结构的单层或电子给体与电子受体平面异质结双层，吸光层的厚度为50nm-300nm。

优选地，所述有机吸光給体材料为P3HT、CuPc或PCDTBT，所述有机吸光受体材料为C₆₀、C₇₀、C₈₄或其衍生物。