[发明专利]一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机‑无机复合太阳电池

说明书

技术领域

本发明涉及有机-无机杂化太阳电池，特别是一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池。

技术背景

有机太阳电池被称为第三代太阳电池，因其自身具备的诸多优势而受到了人们的广泛关注。有机太阳电池不仅原材料丰富、生产工艺简单、成本低廉，而且与柔性衬底相兼容，可以利用卷对卷技术进行大面积的生产，因而具有很好的发展和应用前景。然而，与无机电池相比，有机太阳电池目前的转换效率相对较低，而制约其转换效率的因素主要有以下两点：1）聚合物材料吸收光谱与太阳光谱不匹配，导致有机电池对太阳光的利用率较低，器件的短路电流不高；2）聚合物材料的载流子迁移率较低（~10-5cm²/V•s），激子扩散长度较短（~10nm），光生电荷很容易复合。此外，有机电池也存在光谱吸收和载流子收集相互制约的问题。一般而言，光谱吸收随着吸收层厚度的增加而增强，要确保电池足够的光吸收就要尽量增加吸收层的厚度。但在有机电池中，激子的扩散长度在很大程度上限制了活性层的厚度，目前报道的有机太阳电池活性层厚度普遍为100nm，当厚度进一步增加时将大大增加电子和空穴的复合几率，引起电池各项性能参数的恶化。

有机-无机杂化太阳电池的提出为上述问题的解决提供了一个很好的思路。将无机纳米材料作为电子受体材料引入有机电池当中，无机材料与有机材料形成互补光吸收的同时，无机材料高载流子迁移率的特性也弥补了有机聚合物低载流子迁移的不足。然而，有机-无机杂化太阳电池目前的器件性能还有待提升，转化效率和稳定性都不理想。

发明内容

本发明的目的：针对上述存在的问题，发明一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池。

本发明的技术方案：以有机太阳电池给体/受体互穿的体相异质结结构为基础，引入一种具有n型导电特征的初晶态多孔纳米锗薄膜，形成有机给体/无机受体平面异质结结构。在体相异质结和平面异质结共存的复合结构中，实现并联方式的双通道载流子高效输运。一方面，多孔结构和纳米尺寸的结合极大程度的提升了锗薄膜的比表面积，确保了薄膜与有机材料的充分接触进而形成良好的有机/无机平面异质结。另一方面，与非晶材料相比，初晶态材料具有更高的短程有序度，同时又很好的避免了高晶化率所带来晶界缺陷，因而具有很好的电学性能。所以，n型的初晶态多孔纳米锗薄膜即可在有机给体/有机受体体相异质结结构中作为电子传输层，又可在有机给体/无机受体平面异质结结构中作为无机受体材料，从而构建体相异质结和平面异质结共存的双通道复合结构。同时，窄带隙、高吸收系数、高载流子迁移率的锗材料将有效增强和拓展电池的光谱吸收，并改善电池的载流子输运能力，进而提升电池的性能。此电池中，n型的初晶态多孔纳米锗薄膜采用平板电容耦合等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统在室温条件下制备，该薄膜由尺寸大小5-25nm的锗纳米颗粒堆积而成，如图1所示。初晶相是处于非晶相和结晶相两者之间的一种相结构。初晶态的锗纳米颗粒由极小的锗晶粒（~1nm）和短程有序的锗团簇组成，如图2所示，由于这些极小的晶粒和有序团簇的存在，初晶态多孔纳米锗薄膜的选区电子衍射具有明显的同心圆环特征。

所述的一种基于初晶态多孔纳米锗薄膜的双通道并联型有机-无机复合太阳电池，其在玻璃衬底上的制备顺序为（如图3所示）：“1”是第一氧化铟锡（ITO）透明导电层、“2”是氧化锌（ZnO）电子传输层、“3”是多孔纳米锗薄膜层、“4”是PTB7-Th与PC₇₀BM共混的有机层、“5”是氧化钼（MoO₃）空穴传输层、“6”是第二氧化铟锡（ITO）透明导电层。其中，电子传输层和共混有机层采用旋涂法制备，多孔纳米锗采用平板电容耦合等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法制备，空穴传输层和氧化铟锡（ITO）透明导电层采用真空热蒸发法制备。所述的太阳电池在工作时太阳光由第二氧化铟锡（ITO）透明导电层一侧入射。