一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池及其制备方法，该有机薄膜光伏电池采用反型结构，包括衬底(1)、透明导电阴极ITO(2)、复合阴极缓冲层(3)、光活性层(4)、阳极缓冲层(5)、金属阳极(6)，其中复合阴极缓冲层(3)由阴极缓冲层(31)及散热格栅(32)构成，在阴极缓冲层(31)之间嵌入散热格栅(32)，在不影响光吸收，不增加薄膜厚度，不影响载流子传输的情况下使散热格栅(32)与发热较大的光活性层(4)和阴极缓冲层(31)直接接触，再诱导到外部排出。能有效地将有机薄膜光伏电池在工作时由于太阳光照射且未转化为电能的热量排出，降低阴极的工作温度，提高了器件的光电转换效率，大大增加了器件的寿命及稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及有机聚合物光伏电池领域，具体涉及一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池及其制备方法。
技术介绍
随着全球能源需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。目前世界上使用的能源大多数来自于矿物燃料的开采，其中包括石油，天然气和煤等。然而，这些资源是有限的。占地球总能量99％以上的太阳能具有取之不尽、用之不竭、没有污染等优势，因而成为各国科学家开发和利用的新能源之一。目前，根据组成太阳能电池的光活性层的材料性质的不同，可以将活性层材料分为无机半导体材料和有机半导体材料。与无机半导体材料相比，有机太阳能电池不仅具有相同的最高理论能量转换效率,而且还具有质量轻、可湿法成膜、能加工成特种形状易制成柔性器件、甚至可以实现全塑料化等显著优势，目前己经成为国内外研发的热点之一。然而，与无机太阳能电池的大规模生产相比，有机太阳能电池由于其光电转换效率还相对较低，其实用化还尚需时日。制备合适的缓冲层是提高有机太阳电池光电转换效率的有效方法。当前，并采用金属氧化物如ZnO、TiO2等稳定性较强的氧化物作为阴极缓冲层，有机太阳能电池的效率及稳定性已经获得明显的提升。同时，和无机太阳能电池相比，有机薄膜光伏电池同样面临的问题便是在光伏电池工作时，由于长时间的太阳光照射或者使用聚光片增加光伏电池所接收的光照强度时，有机薄膜光伏电池的光活性层与阴极缓冲层由于吸收大量光照，且有大部分光能并未转化成电能而是转化成热能，导致了光活性层与阴极缓冲层甚至是电极的工作温度在光照下逐渐升高。而由于有机聚合物光活性层的特性，较高的工作温度会较大的影响其光电转换效率及寿命，所以不解决散热这个关键问题，有机薄膜光伏电池的产业化将会面临巨大的困难。对于无机太阳能电池，散热措施一般采取散热背板或者散热涂层，或者是复杂的散热结构来对其太阳能电池进行散热。这几种散热方法都是直接对太阳能电池外部进行散热，而由于有机薄膜光伏电池结构的特殊性，光活性层所产生的热量会被其他结构层所吸收，最终到达外部的热量较少，所以只对有机薄膜光伏电池的外部进行散热会导致热量依然存在于电池内部，直接损伤电池的各层结构；且上述无机光伏电池的散热结构大多需要在外部添加散热板或者散热结构，增加了电池的重量及其厚度，对于超轻超薄的有机薄膜光伏电池也是不可取的。因此研究如何在不影响器件厚度，重量以及效率的情况下，能够将有机薄膜光伏电池中光活性层的热量通过高导热率的材料引出，是有机薄膜光伏电池能够实现产业化的关键，也是目前此领域研究的重点及难点。而提高器件的抗水氧侵蚀能力，增加器件的稳定性，同样十分重要。
技术实现思路
本专利技术提供了一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池及其制备方法，通过在光活性层下方引入一层由阴极缓冲层和散热嵌入式散热格栅复合而成的具有自体散热功能的复合阴极缓冲层，在不影响器件厚度、重量以及效率的情况下，解决现有技术中有机薄膜光伏电池中光活性层散热难的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案概述如下：一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，采用反型结构，从下至上依次设置为：衬底、透明导电阴极ITO、复合阴极缓冲层、光活性层、阳极缓冲层、金属阳极，所述复合阴极缓冲层由阴极缓冲层和散热格栅组成，所述散热格栅中各组分的质量百分比分别为：还原氧化石墨烯60％～80％、8-羟基喹啉铝5％～10％、导电银纳米颗粒15％～30％，散热格栅的厚度为20～40nm。优选的，所述散热格栅呈网格状。优选的，所述散热格栅为田字形格栅，格栅间距为5mm～20mm，格栅宽度为0.3mm～1mm。优选的，所述阴极缓冲层的材料为ZnO或TiO2，阴极缓冲层的厚度为20～40nm。优选的，所述光活性层由电子给体材料PTB7与电子受体材料PCBM的混合溶液制备而成，光活性层的厚度为80～100nm；所述混合溶液中PTB7和PCBM的质量百分比为1:2～2:1。优选的，所述阳极缓冲层的材料为PEDOT:PSS或MoO3，阳极缓冲层的厚度为5～20nm。优选的，所述金属阳极的材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极的厚度为100～200nm。优选的，所述衬底的材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、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。一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)对由衬底及透明导电阴极ITO所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；(2)在透明导电阴极ITO的表面覆盖镂空网状掩膜版，在掩膜版上喷涂散热格栅的原料溶液，再通过高温热反应使散热格栅干燥成型，其反应温度为120～240℃，反应时间为20～90分钟；(3)在散热格栅上覆盖形状与上一步相同，但是镂空部分与上一步互补的掩膜版，再在掩膜版上喷涂阴极缓冲层的原料溶液，制备嵌入散热格栅的复合阴极缓冲层；(4)在阴极缓冲层上采用旋涂或喷涂或自组装或喷墨打印或丝网印刷的方式制备含PTB7/PCBM的光活性层；(5)在光活性层上旋涂PEDOT:PSS或蒸镀MoO3形成阳极缓冲层；(6)在阳极缓冲层上蒸镀金属阳极。优选的，所述散热格栅的原料溶液由导电银纳米颗粒、8-羟基喹啉铝溶液、还原氧化石墨烯三种组分混合组成，所述导电银纳米颗粒为浓度为0.1～1g/ml的导电银浆经过高温热反应制成；所述8-羟基喹啉铝溶液的的溶剂为氯苯，浓度为0.2～5mg/ml；所述还原氧化石墨烯为浓度为1～5mg/ml的氧化石墨烯DMF分散液高温反应还原而成。相对于现有技术，本专利技术所产生的有益效果：1、通过在光活性层下方的阴极缓冲层之间嵌入具有超高导热率的网状散热格栅，使得网状散热格栅与光活性层直接接触，将光活性层所产生的热量由散热格栅直接引到器件外部排出，从而直接降低了光活性层与阴极缓冲层的工作温度，提高了其在工作时的光电转换效率；2、散热格栅由还原氧化石墨烯，8-羟基喹啉铝，以及导电银纳米颗粒按照特定比例复合形成，其中还原氧化石墨烯具有超高导热性能，8-羟基喹啉铝增加了散热格栅的电子迁移率，导电银纳米颗粒增加了散热格栅的导电率及成膜性，使散热格栅具有透明，高导热率，高导电率，且高电子迁移率的特性，在有效传到活性层热量的情况下，能够有效降低器件的串联电阻，增加阴极缓冲层的电子迁移率。且能级匹配，不影响其电荷传输，在散热的同时，增加其器件性能；3、散热格栅采用掩膜喷涂法嵌入阴极缓冲层之间，其制备方法简单，不增加薄膜厚度，不增加外部结构，在保证有机薄膜光伏电池超薄，超轻，透明的特性下，有效的将光活性层的热量排出，具有一定的产业化意义。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的结构示意图；图2是复合阴极缓冲层的俯视图；图中标号分别为：1、衬底；2、透明导电阴极ITO；3、复合阴极缓冲层；31、阴极缓冲层；32、散热格栅；4、光活性层；5、阳极缓冲层；6、金属阳极。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的实施方式包括但不限于下列实施例。实施例1如图1所示，一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，采用反型结构，从下至上依次设置为：衬底1、透明导电阴极ITO 2、复合阴极缓冲层3、光活性层4、阳极缓冲层5、金属阳极6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，采用反型结构，其特征在于：从下至上依次设置为：衬底(1)、透明导电阴极ITO(2)、复合阴极缓冲层(3)、光活性层(4)、阳极缓冲层(5)、金属阳极(6)，所述复合阴极缓冲层(3)由阴极缓冲层(31)和散热格栅(32)组成，所述散热格栅(32)中各组分的质量百分比分别为：还原氧化石墨烯60％～80％、8‑羟基喹啉铝5％～10％、导电银纳米颗粒15％～30％，散热格栅(32)的厚度为20～40nm。

【技术特征摘要】
1.一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，采用反型结构，其特征在于：从下至上依次设置为：衬底(1)、透明导电阴极ITO(2)、复合阴极缓冲层(3)、光活性层(4)、阳极缓冲层(5)、金属阳极(6)，所述复合阴极缓冲层(3)由阴极缓冲层(31)和散热格栅(32)组成，所述散热格栅(32)中各组分的质量百分比分别为：还原氧化石墨烯60％～80％、8-羟基喹啉铝5％～10％、导电银纳米颗粒15％～30％，散热格栅(32)的厚度为20～40nm。2.如权利要求1所述的一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，其特征在于：所述散热格栅(32)呈网格状。3.如权利要求1所述的一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，其特征在于：所述散热格栅(32)为田字形格栅，格栅间距为5mm～20mm，格栅宽度为0.3mm～1mm。4.如权利要求2所述的一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，其特征在于：所述阴极缓冲层(31)的材料为ZnO或TiO2，阴极缓冲层(31)的厚度为20～40nm。5.如权利要求1所述的一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，其特征在于：所述光活性层(4)由电子给体材料PTB7与电子受体材料PCBM的混合溶液制备而成，光活性层(4)的厚度为80～100nm；所述混合溶液中PTB7和PCBM的质量百分比为1:2～2:1。6.如权利要求1所述的一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，其特征在于：所述阳极缓冲层(5)的材料为PEDOT:PSS或MoO3，阳极缓冲层(5)的厚度为5～20nm。7.如权利要求1所述的一种带自体散热复合阴极缓冲层的光伏电池，其特征在于：所述金属阳极(6)的材料为Ag、Al或Cu中的一种或多种，金属阳极(6)的厚度为100～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：于军胜，郑丁，王瀚雨，黄江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51