一种场效应有机太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光伏技术领域，提供一种场效应有机太阳能电池的制备方法，其包括步骤一：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。本发明专利技术用外加门控电压调控器件内部电场以提升载流子分离、输运、收集效率，降低复合，从而同时提高Voc、Jsc，FF值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能电池等光伏器件的
，尤其是一种场效应太阳能电极及 其制备方法。
技术介绍
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。。、短路电流Js。和填 充因子FF。然而研究发现，L。与Js。相互制约，提升L。的同时往往以降低Js。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。。与Js。相互制约，提升I。的同时往往以降低Js。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Cu20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。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术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。 本专利技术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。 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。 本专利技术提供一种场效应增强有机太阳能电池，其对现有场效应太阳能电池的结构 进行改进，将栅极引出衬底形成门电极，用外加门控电压调控器件内部电场以提升载流子 分离、输运、收集效率，降低复合，从而从同时提高V%、Js。，FF值，最终提高太阳能电池的效 率。该器件的实现不仅有望获得较高的光电转换效率，而且将进一步验证电场提升载流子 传输和光伏性能机理的设想。【附图说明】 图1为现有场效应有机太阳能电池的衬底俯视结构示意图。 图2为本专利技术场效应有机太阳能电池的衬底俯视结构示意图。 图3为本专利技术场效应有机太阳能电池沿图2中PP'线纵向剖切示意图。 图4为本专利技术场效应有机太阳能电池在施加门电压后的电流-电压曲线图。【具体实施方式】 下面，将结合实施例对本专利技术做详细介绍。 实施例1 现有的场效应有机太阳能电池，如图1所示，包括在衬底210刻蚀出的阳电极 220，、阴电极230和栅电极240。其中栅电极240 -般位于衬底210的中心部分。这种结构 不利于开路电压I。、短路电流Js。和填充因子FF的提高。 本实施例提供一种场效应有机太阳能电池，如图2所示，其包括在衬底刻蚀出的 阳电极120,、阴电极130和门电极140,其中门电极140是对现有技术栅电极240的改进， 为了与现有的栅电极240区别，本专利技术命名为"门电极"。这样，本专利技术的太阳能电池从下至 上依次包括：刻蚀有阳电极120、阴电极130的衬底110、介电层150、网状阳极层160,活性 层170以及阴极层180。其中，所述门电极140是独立于所述阳电极120、阴电极130在衬 底110形成，所述门电极140与所述衬底110至少一边缘连通，用于将门电极140引出。 在本实施例中，优选的方案可以是：门电极140还包括开设于所述衬底中心的第 一部分141 ;以及开设于所述第一部分141与所述衬底110边缘之间的桥接部143,用于连 通所述第一部分141以及所述衬底110边缘。 进一步地，所述门电极140还包括与所述衬底110边缘连通的第二部分142,所述 第二部分142与所述第一部分141通过所述桥接部143连通。第二部分142的开设是为了 方便器件的测试，占有面积越小越好。 下面，结合图2介绍这种太阳能电池的制备方法。 本实施例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：[003当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱红飞，陈立桅，王学文，张珽，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32