[发明专利]一种场效应有机太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池等光伏器件的技术领域，尤其是一种场效应太阳能电极及其制备方法。

背景技术

有机太阳能电池具有柔性、价格低廉、可大面积制备等优点，具有巨大的市场前景，成为学术研究与产业开发所关注的热点。从实际应用角度考虑，实验室有机太阳能电池的光电转换效率至少需要达到10％，且寿命超过7年才有可能尝试批量生产和商业应用。近年来有机太阳能电池效率的提升取得了非常鼓舞人心的成果，多个研究组报导了>8％的效率，2012年更有小组已经达到了10％这一器件效率门槛。从研究角度看，热力学理论分析认为有机太阳能电池的效率极限可以达到22–27％，因此有机太阳能电池的效率还有很大的上升空间。目前，提高有机太阳能电池效率的手段主要有两个：(1)设计新型活性材料分子结构，包括降低给体分子带隙宽度、降低给体材料HOMO能级、设计二维给体聚合物分子骨架以及调节给体分子的分子量等；(2)优化器件制备工艺：包括调控器件中材料界面，材料形貌等。这些研究的目的是为了提高器件的三个参数：开路电压V_oc、短路电流J_sc和填充因子FF。然而研究发现，V_oc与J_sc相互制约，提升V_oc的同时往往以降低J_sc为代价，反之亦然，而影响FF的因素多而复杂，因此难以同时提高这三个性能参数。

现有的传统有机太阳能电池的光电转换效率普遍偏低，为了提高有机太阳能电池的光电转换效率，研究者(1)从材料合成角度进行了活性材料分子结构设计包括降低给体分子带隙宽度、降低给体材料HOMO能级、设计二维给体聚合物分子骨架以及调节给体分子的分子量等；这个方面的研究费时，费力，昂贵，目的性不强，而且还受制于器件的制备工艺，不确定性因素很多。(2)从器件物理的角度出发，研究者对器件的制备工艺进行了一系列的研究。然而研究发现，V_oc与J_sc相互制约，提升V_oc的同时往往以降低J_sc为代价，反之亦然，而影响FF的因素多而复杂，因此难以同时提高这三个性能参数。这类研究得到的工艺参数只适用于某种或某类材料，并没有普适性，因此这种方法也有很多不确定性因素。

在2012年“纳米快讯”上，研究者发表了用Cu₂O和硅作为活性材料，用几十到几百纳米宽的半透明的金属作为太阳能电池的一个电极，在电极上方盖上绝缘层和门电极。用来调控器件的光电转换效率。这种设计的缺陷在于:(1)器件能够利用的光能会很少(半透明电极的透光率只有40％)；(2)由于电极大小的限制，使得器件的内阻增加，从而导致器件的开路电压很小，没有实用价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种场效应有机太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一：在衬底上分别刻蚀阳电极、阴电极、以及独立于所述阳电极、阴电极的门电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通；

步骤二：在所述门电极上利用原子层沉积法生长介电层；

步骤三：在所述介电层上通过气相聚合的方法原位生长阳极材料；然后对所述阳极材料进行刻蚀，形成具有若干通孔的网状阳极层；

步骤四：在所述网状阳极层上形成活性层，退火处理；所述活性层通过所述通孔与所述介电层连接；

步骤五：然后在所述活性层上形成阴极层。

其中，所述门电极还还包括：开设于所述衬底中心的第一部分；以及开设于所述第一部分与所述衬底边缘之间的桥接部，用于连通所述第一部分以及所述衬底边缘。

其中，所述门电极还包括与所述衬底边缘连通的第二部分，所述第二部分与所述第一部分通过所述桥接部连通。

其中，所述门电极占所述衬底面积的10～20％。

其中，所述网状阳极层的占空比为1:1.5；所述网状阳极层的材料为高分子聚合物、金属材料或导电氧化物；

所述介电层材料为金属氧化物、金属氮化物或高分子聚合物；所述介电层的厚度为10～10000纳米。

其中，所述活性层由空穴传输材料和活性材料构成。

本发明还提供这种场效应有机太阳能电池，其从下至上依次包括：刻蚀有阳电极、阴电极的衬底、介电层、网状阳极层，活性层以及阴极层；所述衬底还刻蚀有独立于所述阳电极、阴电极的门电极，所述门电极与所述衬底至少一边缘连通。