有機光伏陣列和制造方法技術

本發明專利技術公開了使用全噴霧工藝制造的大型反向有機太陽能陣列的制造和表征，所述有機太陽能陣列由在基材上的四個層：ITO-Cs2CO3-(P3HT:PCBM)-改性的PEDPT:PSS構成。利用PEDPT:PSS作為正極，包封的太陽能陣列在可見光到近IR范圍內顯示了超過30%的透光率。基于單電池或多電池陣列對熱退火進行了優化。已證明太陽光照將太陽能陣列的效率提高高達250%，在AM1.5輻照度下裝置效率為1.80%。在光照下性能的提高僅發生在噴涂的裝置上，表明在太陽光下裝置得到增強，這對于太陽能應用是有利的。所述太陽能模塊的半透明性質使其可用于在窗口和擋風玻璃上的應用、室內應用和柔軟織物物質如帳篷、軍用背包或戰斗制服，從而為部署的軍力提供高度便攜式可再生能源供應。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】有機光伏陣列和制造方法相關申請的交叉參考本申請主張2011年2月14日提交的題目為“OrganicPhotovoltaicArrayandMethodofManufacture”的美國臨時專利申請61/422,561號的優先權，通過參考將其內容并入本文中。
本專利技術涉及噴霧制造的有機太陽能光伏電池。具體地，本專利技術提供一種使用噴霧沉積制造有機太陽能光伏電池的新方法和由所述方法制造的有機太陽能光伏電池。
技術介紹
近年來，能耗急劇增加，部分是由于在全球范圍內工業的快速發展。增高的能耗使得自然資源如化石燃料緊張，同時使得全球對消耗這些資源的副產物的處理能力變得緊張。而且，預期未來對能量的需求大大增加，因為人口增加且發展中國家需要更多的能量。這些因素要求開發經濟、高效并對全球環境影響最小的新型清潔能源。自從20世紀70年代開始，已經將光伏電池用作傳統能源的替代。因為光伏電池使用源自太陽光的現有能量，所以由光伏發電造成的環境影響比傳統發電小得多。大部分商業化的光伏電池是使用單晶硅、多晶硅或無定形硅的無機太陽能電池。傳統上，將由硅制成的太陽能模塊安裝在建筑物的屋頂上。然而，這些無機硅基光伏電池以復雜的工藝方式并在高成本下制得，限制了光伏電池的使用。這些硅晶片基電池是易碎的不透明物質，限制了其在諸如窗口技術上的使用，在所述窗口技術中透明度是關鍵問題。此外，安裝也是問題，因為這些太陽能模塊重且易碎。另外，與在正常建筑中的窗口區域相比，諸如屋頂的安裝位置受到限制，尤其是在摩天樓中更少。為了克服這種缺點，已經積極地對使用有機材料的光伏電池進行了研究。在OPV中的光伏過程首先從主要通過聚合物吸收光開始，隨后形成激子。然后，激子遷移到供體(聚合物)/受體(富勒烯)的界面處并在所述位置解離。分開的電子和空穴通過跳動移動到相反電極上并被收集在電極上，產生開路電壓(Voc)。在連接電極時，產生光電流(短路電流Isc)。在發現聚合物與碳C60之間的快速電荷轉移之后，已經對基于π共軛聚合物的有機光伏電池進行了集中研究(Sariciftci等,Science1992,258,1474；Yu等,Science1995,270,1789；Yang和Heeger,Synth.Met.1996,83,85；Shaheen等,Appl.Phys.Lett.2001,78,841；Padinger等,Adv.Funct.Mater.2003,13,85；Brabec等,Appl.Phys.Lett.2002,80,1288；Ma等,Adv.Funct.Mater.2005,15,1617；Reyes-Reyes等,High-efficiencyphotovoltaicdevicesbasedonannealedpoly(3-hexylthiophene)and1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1-phenyl-(6,6)C61blends.Appl.Phys.Lett.2005,87,083506-9；Chen等,Polymersolarcellswithenhancedopen-circuitvoltageandefficiency.Nat.Photonics,2009,3(11),649-53)。常規的有機光伏裝置使用透明基材如銦的氧化物如銦錫氧化物(ITO)或IZO作為正極并使用鋁或其他金屬作為負極。將包括電子供體材料和電子受體材料的光活性材料夾在正極與負極之間。常規裝置中的供體材料為聚-3-己基噻吩(P3HT)，其為共軛聚合物。常規的受體材料為(6,6)-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)，其為富勒烯的衍生物。ITO和鋁的觸點兩者都使用濺射和熱氣相沉積，所述濺射和熱氣相沉積兩者都是昂貴的、高真空技術。在這些光伏電池中，光典型地入射到基材側面上，從而需要透明的基材和透明的電極。然而，這限制了基材和電極可選擇的材料。此外，為了提高電導率，需要30～500nm的最小厚度。而且，有機光電轉換層對氧氣和水汽敏感，所述氧氣和水汽降低功率轉換效率并縮短有機太陽能電池的壽命周期。對有機光伏電池的開發已經實現了3.6％的轉換效率(P.Peumans和S.R.Forrest,Appl.Phys.Lett.79,126(2001))。在OPV中的光伏過程首先從主要通過聚合物吸收光開始，隨后形成激子。然后，激子遷移到供體(聚合物)/受體(富勒烯)的界面處并在所述位置解離。分開的電子和空穴通過跳動移動到相反電極上并被收集在電極上，產生開路電壓(Voc)。在連接電極時，產生光電流(短路電流Isc)。這些聚合的OPV保持潛在成為成本高效的光伏電池的可能，因為其是溶液可處理的。使用印刷(Krebs和Norrman,Usinglight-inducedthermocleavageinaroll-to-rollprocessforpolymersolarcells,ACSAppl.Mater.Interfaces2(2010)877–887；Krebs等,Aroll-to-rollprocesstoflexiblepolymersolarcells:modelstudies,manufactureandoperationalstabilitystudies,J.Mater.Chem.19(2009)5442–5451；Krebs等,Largeareaplasticsolarcellmodules,Mater.Sci.Eng.B138(2007)106–111；Steim等,FlexiblepolymerPhotovoltaicmoduleswithincorporatedorganicbypassdiodestoaddressmoduleshadingeffects,Sol.EnergyMater.Sol.Cells93(2009)1963–1967；Blankenburg等,Reeltoreelwetcoatingasanefficientup-scalingtechniquefortheproductionofbulkheterojunctionpolymersolarcells,Sol.EnergyMater.Sol.Cells93(2009)476–483)、旋涂和激光刻繪(Niggemann,etal.,Organicsolarcellmodulesforspecificapplications—fromenergyautonomoussystemstolargeareaphotovoltaics,ThinSolidFilms516(2008)7181–7187；Tipnis等,Large-areaorganicphotovoltaicmodule—fabricationandperformance,Sol.EnergyMater.Sol.Cells93(2009)442–446；Lungenschmied等,Flexible,long-lived,large-area,organicsolarcells,Sol.EnergyMater.Sol.Cells91(2007)379–384)以及輥涂(Jung和Jo,Annealing本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.02.14 US 61/442,5611.制造有機太陽能光伏電池的方法，所述方法包括如下步驟：獲得銦錫氧化物基材；在銦錫氧化物基材上噴涂Cs2CO3層；在手套箱內對所述Cs2CO3層進行退火；在所述Cs2CO3層上噴涂聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯的有源層以形成裝置，該步驟包括：a)將聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯的溶液在60℃下加熱48小時，b)噴涂聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯的溶液的多個輕層以形成約200nm至約300nm的最終層厚度；在真空下在前室中干燥所述裝置至少12小時；使用有機溶劑除去過量的有源層；在所述有源層上噴涂包含混合有5體積％二甲亞砜的聚(3,4)亞乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯的層；將有機太陽能光伏電池放入高真空中歷時1小時；對有機太陽能光伏電池進行退火，其中在120℃下、160℃下、或在120℃下歷時10分鐘隨后在高真空下歷時1小時并在160℃下退火10分鐘來實施退火；以及利用UV固化環氧樹脂對有機太陽能光伏電池進行包封，其中獲得銦錫氧化物基材的步驟還包括：獲得涂布有銦錫氧化物的基材；使用光刻圖案化銦錫氧化物；對銦錫氧化物進行蝕刻；以及對蝕刻后的銦錫氧化物和基材進行清潔，其中通過丙酮、異丙醇或UV-臭氧中的至少一種對蝕刻后的銦錫氧化物和基材進行清潔，并且在50℃下實施所述清潔，各自20分鐘，隨后利用N2進行干燥。2.如權利要求1所述的方法，其中利用HCl和HNO3的混合溶液對銦錫氧化物進行蝕刻。3.如權利要求1所述的方法，其中通過以2mg/ml的比率將Cs2CO3溶于2-乙氧基乙醇中并攪拌1小時來制備Cs2CO3層。4.如權利要求1所述的方法，其中在填充有N2的手套箱內在150℃下對所述Cs2CO3層進行退火10分鐘。5.如權利要求1所述的方法，其中通過在二氯苯中以1:1的重量比混合聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯來制備有源層溶液。6.如權利要求5所述的方法，其中在噴霧之前在60℃下在電熱板上將聚(3-己基噻吩)和6,6-苯基C61丁酸甲酯攪拌48小時。7.如權利要求1所述的方法，其中通過如下操作制備包含混合有5體積％二甲亞砜的聚(3,4)亞乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯的層：對聚(3,4)亞乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯進行稀釋，將稀釋后的聚(3,4)亞乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯磺酸酯過濾通過0.45μm的過濾器；以及將二甲亞砜混入稀釋后的聚(3,4)亞乙基二氧基噻吩:聚苯乙烯...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣曉梅，賈森·萊維斯，
申請(專利權)人：南佛羅里達大學，
類型：
國別省市：