[发明专利]一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子元器件中的有机光电技术领域，具体涉及一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

进入二十一世纪，随着化石能源的日益枯竭和全球变暖速度的加快，寻找清洁的可再生能源成为人类面临的一个重要问题。太阳能作为一种无污染、取之不尽、不受地域限制的可再生能源，相比于水力发电、风力发电、生物能发电等其他可再生能源具有巨大潜力。如何利用太阳能有效地转换成电能成为近年来的热点问题。有机太阳能电池(organicsolarcells，OSCs)由于具有柔性、轻便、制备工艺简单、易于大面积成膜和成本低廉等优点，成为最具发展潜力的下一代光伏发电技术。为了实现商业化，大面积、高效率、高稳定性以及低成本的OSCs成为国际上竞争最激烈的前沿科学领域之一。

在过去的十年中，有机太阳能电池的器件性能得到了长足的进展，目前最高效率已达到11％左右。随着对电池工作机理的认识加深以及新材料的出现，在接下来的两年中，有机太阳能电池的效率有望突破13％。然而，由于器件效率仍然受到面积的限制，大部分文章中报道的高效率器件的面积都小于0.15cm²，远不能满足光伏模组商业化的要求。同时，面积对器件性能的限制导致生产成本提高，成为限制OSC器件进入市场的一个重要因素。因此，随着电池效率的不断提高，必须加快OSC器件大面积化的研究。

大面积器件转换效率低的主要原因在于作为透明阳极材料的ITO方阻较大，导致器件的串联电阻随着面积的增加显著提高，填充因子和短路电流减小。此外，ITO电极还存在其他一些缺点，如易碎、柔韧性较差、价格昂贵等。因此，为了获得高效率的大面积柔性器件，必须寻找具有高导电率、高透过率的新型透明电极材料以取代ITO。由于超薄金属薄膜具有较高的导电性和在可见光范围内较低的消光系数使其成为最前途的取代ITO作为透明电极的材料。与其他金属材料相比，Ag具有导电性好(电导率高达1.62μΩcm)、透过率高、并且具有很好的延展性能(仅次于Au)等优点，使其成为制备透明电极的首选材料。然而，超薄金属薄膜的导电性和光学特性强烈依赖于Ag薄膜的粗糙度、晶粒的大小以及薄膜的连续性等。由于在不同基板上金属薄膜的成核过程和生长动力学不同，因此金属薄膜的性质很大程度上受基板种类和真空沉积速率的影响。例如，Ag在绝缘基板上的浸润性较差，往往导致所制备的Ag薄膜表面粗糙、电阻较大且光学性能较差。因此，改善Ag的形貌，形成连续光滑的Ag薄膜，进而制备出导电率高、柔韧性好的透明导电电极对提高大面积有机薄膜太阳能电池器件的性能、降低大面积器件的生产成本起到至关重要的作用。

发明内容

本针对现有技术的不足，提出了一种大面积有机薄膜太阳能电池及其制备方法。

一种大面积有机薄膜太阳能电池，从下到上包括衬底、透明导电阴极、阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层、金属阳极，所述透明导电阴极为ZnO/MUA/Ag复合薄膜。

进一步地，所述透明导电阴极中ZnO的厚度为10～100nm，MUA的厚度为1～5nm，Ag的厚度为1～20nm。

进一步地，所述阴极缓冲层材料为TiO₂或ZnO，厚度为10～100nm。

进一步地，所述光活性层为P3HT:PCBM、PTB7:PC₇₁BM或者PBDTT-F-TT:PC₇₁BM，厚度为50～300nm。

进一步地，所述阳极缓冲层材料为PEDOT:PSS或MoO₃，厚度为1～80nm。

进一步地，所述金属阳极材料为Ag、Al或Cu，厚度为100～300nm。

进一步地，所述衬底材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂或聚丙烯酸的一种或多种。

进一步地，所述有机薄膜太阳能电池的面积为1～100cm²。

本发明还公开了一种上述所述的大面积有机薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：对衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；

步骤二：在衬底表面通过旋涂法依次制备ZnO和MUA，在MUA上通过

真空热蒸镀法制备Ag，从而形成ZnO/MUA/Ag复合透明导电阴极；

步骤三：在透明导电阴极表面通过旋涂法制备阴极缓冲层，并将所形成的薄膜进行退火，退火温度为100～200℃，退火时间为1～2小时；