本发明专利技术公开了一种有机太阳电池的结构及其采用该结构制备的有机太阳电池，该有机太阳电池的结构至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。本发明专利技术采用定向碳纳米管沉积于太阳电池的正电极，并与正电极形成良好的欧姆接触。定向碳纳米管阵列平行于基板，且碳纳米管相互平行，少缠绕。有机太阳电池中的光伏特性的有机物层填充在碳纳米管阵列的间隙中，并对碳纳米管形成良好的包敷。由于碳纳米管阵列提供了最大化的激子分离界面，并且定向排列的碳纳米管阵列显著降低了电子输运路径，从而降低光生载流子的复合机率，提高太阳能电池的光能转换效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种太阳能电池，特别是一种有机太阳电池的结构及其采用该结构制备的有机太阳电池，该有机太阳电池的结构利用定向碳纳米管阵列作为空穴传输层，提高空穴输运到正极的几率，减短空穴传输到正极的传输路径，从而提高太阳电池的效率。
技术介绍
21世纪世界能源将发生巨大的变革，以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样化、复合型的能源结构。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，一直是人们心目中理想的能源取代方案之一。将太阳能直接转换为电能的光伏发电是各种太阳能利用方式中最为灵活、最具有普遍意义的一种。太阳电池是光伏发电系统的核心元件，太阳电池技术的进步对于太阳能利用的推广有着重要的意义，而提高效率和降低成本是目前太阳电池技术发展的准则。硅材料太阳电池已发展多年，但是用于制作电池的太阳能级硅材料的价格非常昂贵，再加上电池制造工艺复杂、设备投资大、材料消耗和用电大等因素，导致桂太阳电池的价格较高，从而限制了其更大规模的推广和应用。基于染料分子或聚合物的有机物太阳电池正日益受到重视。其最大优势在于制作工艺简单、成本低。目前有机太阳电池的主要问题是其光电转换效率低，提高有机太阳电池的效率成为其推广应用的关键。造成有机太阳电池效率较低的原因在于有机物材料中的载流子传输。有机半导体材料中的HOMO和LUMO能级没有形成导带和价带，载流子的传输是通过局域能态间的跳跃来完成的，其迁移率要显著小于无机半导体材料。材料中的载流子很难到达电极，从而限制了光电转换效率。此外，有机物在光激发下产生的电子空穴对相互束缚比较强，往往形成激子。而激子通常需要在界面电场的作用下才能解离，这种界面电场通常位于有机物与金属电极的界面处。然而有机物和金属电极的接触面非常有限，只有距离界面不超过激子扩散长度的区域内的激子才能有效到达激子分离界面。所以增大有效的激子解离场所，并提供有效的电子和空穴的输运通道成为提高有机太阳电池光电转换效率的关键。典型的有机太阳电池是由正电极(anode)、光伏有机物层和负电极(cathode)三个部分构成的三明治结构。正电极材料为类似p型-金属接触的高功函数(high work-function)材料，例如ITO透明导电氧化物。负电极材料为类似n型-金属接触低功函数(low work-function)材料，例如金属铝等。在这一典型结构的基础上，为了提高能量转换效率，人们进一步提出在有机物层与电极之间添加电子传输层和空穴传输层(如图1)。传输层应该具有这样的特性在它们与光伏有机物层的界面处可提供有效的激子解离场所，且电子传输层容易获得激发态的电子并具有良好的电子输运能力，空穴传输层容易获得空穴并具有良好的空穴输运能力。研究表明，传输层的引入往往可以成数量级的提高有机太阳电池的转换效率。福勒烯是目前广泛采用的传输层材料之一。碳纳米管作为富勒烯的一种，是一种极具潜力的传输层材料。同时作为一维导线可以很快的将载流子传输至电极，从而有效的分离激子，提高电池的光电转换效率。激子的分离效率与激子的分离界面以及电子和空穴的传输路径有关。为了增加激子的分离界面，人们提出了体型异质结(bulk heterojunction)的概念，即电子传输层与空穴传输层相互渗透，增加接触界面。但是随着渗透的增加，电子和空穴的传输路径逐渐变长，从而复合几率增加，导致激子分离效率降低。如果以碳纳米管作为传输层，现有的办法是将碳纳米管与光伏有机物混合。这一方法虽然可以提供足够的激子分离界面，但是碳纳米管作为良好的载流子输运通道的功能却远远没有得到充分利用。因为分散于有机物中的许多碳纳米管并未与电极接触，这些碳纳米管获得的载流子必须通过碳纳米管之间的隧道效应才能到达电极。同时这种分散于有机物中的碳纳米管由于没有确定的取向，导致载流子的输运路径变得曲折。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种有机太阳电池的结构及其采用该结构制备的有机太阳电池，在该有机太阳电池的结构中，利用定向碳纳米管阵列作为空穴传输层，能够提高空穴输运到正极的几率，减短空穴经到正极的传输路径，从而提高太阳电池的效率。为了实现上述任务，本专利技术采用如下的技术解决方案一种有机太阳电池的结构，至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，其特征在于，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。采用上述有机太阳电池的结构制备的有机太阳电池，包括一个基板，其特征在于，基板上有一层由连续低功函数材料构成的电池负极，负极上制作有梳指状条形绝缘层，绝缘层上设置平行于基板的碳纳米管，碳纳米管悬空于梳指状绝缘条之间，绝缘条上有由高功函数材料制成的导电条，导电条与绝缘层上的碳纳米管形成良好的欧姆接触，导电条经由基板一端的汇流电极导出而构成电池的正极，光伏特性的有机物层填充于负极表面上碳纳米管之间，将悬空碳纳米管完全包裹，并与基板上的负极形成良好的接触。本专利技术所采用的空穴传输层为设置在梳指状电极间的平行碳纳米管，激子在碳纳米管与光伏有机物界面附近能够有效电离。同时碳纳米管均直接与条形电极相连接，激子分离后所生成的空穴能够顺利到达电极，从而提高了太阳电池的光电转换效率。附图说明图1是具有电子传输层和空穴传输层的有机太阳电池的典型结构。图2是采用平行基板排列的碳纳米管阵列的太阳电池的立体结构示意图。图3是采用平行基板排列的碳纳米管阵列的太阳电池的剖面结构示意图。图4是采用平行基板排列的碳纳米管阵具有空穴传输层的太阳能电池的立体结构示意图。图5是采用平行基板排列的碳纳米管阵列具有空穴传输层的太阳能电池的剖面结构示意图。上述图中的标号分别表示1、基板，2、负极，3、绝缘层，4、催化剂层，5、梳指状正极，6、正极汇流电极，7、水平定向碳纳米管，8、有机光伏层，9、电子传输层。为了进一步说明本专利技术的内容，以下结合附图和专利技术人给出的具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。具体实施例方式本专利技术所提供的一种有机太阳电池的结构，至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。上述定向碳纳米管阵列为大量沉积在正极上的定向排列的碳纳米管，并与正极形成欧姆接触，碳纳米管碳纳米管是平行于基板的单壁碳纳米管，或者是多壁碳纳米管，或者是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合。在上述结构的基础上，在负极与光伏有机材料之间还可以添加一层电子传输层。所述正极的高功函数材料可以为ITO，铂；所述负极的低功函数材料可以为铝，钙，镁，镁/铟；所述的光伏有机材料包括聚合物一类有P3OT，P3HT，poly vinylcarbozole(PVK，聚乙烯咔唑胺)，poly sulphur nitride(聚硫化氮)，polyacetylene(聚乙炔)，polythiophene(聚噻吩)，PPV，MEH-PPV，cyano-PPV；染料分子一类有anthrancene(蒽)，porphyrin(卟啉)，phthalocyanine(酞菁)。所述光伏有机材料不限于上述材料的一种，也包括它们之间的组合。所述的基板材料包括陶瓷基片、硅基片、石英基片或玻璃基片；本专利技术所提供的太阳电池实现方法如下1)在基本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种有机太阳电池的结构，至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，其特征在于，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。
【技术特征摘要】
1.一种有机太阳电池的结构，至少包括在基板上制备的正极、负极和光伏特性的有机物层，其特征在于，在正极和光伏特性的有机物层之间有定向碳纳米管阵列构成的空穴传输层。2.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的定向碳纳米管阵列为大量沉积在正极上的定向排列的碳纳米管，并与正极形成欧姆接触，碳纳米管碳纳米管是平行于基板的单壁碳纳米管，或者是多壁碳纳米管，或者是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合。3.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构池，其特征在于，所述的负极材料包括铝、钙、镁或铟元素的合金的至少一种或混合物。4.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的光伏特性的有机物层填充在所述碳纳米管阵列的间隙中并充分包裹碳纳米管。5.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的正极的材料选择氧化铟锡。6.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所述的光伏特性的有机物层与正极相接触。7.如权利要求1所述的有机太阳电池的结构，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫华，曹猛，易文辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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