正结构有机太阳能电池

370 编辑：中冶有色技术网来源：财团法人交大思源基金会

2024-02-22 11:03:39

权利要求书： 1.一种正结构有机太阳能电池，其特征在于，包括依次由下而上相互叠加的透光基板、透光导电阳极、电洞传输层、主动层、电子传输层及阴极，其中所述阴极包括铝电极和银电极，所述铝电极连接所述电子传输层，所述银电极连接所述铝电极，且所述铝电极的厚度至少为60纳米，所述银电极的厚度小于50纳米，所述主动层为高分子聚合物：富勒烯或非富烯受体材料及其衍生物。

2.如权利要求1所述的正结构有机太阳能电池，其特征在于，还包括封装覆盖层，所述封装覆盖层包覆于所述透光导电阳极、所述电洞传输层、所述主动层、所述电子传输层和所述阴极的外周，并与所述透光基板利用封装胶作接合封装。

3.如权利要求2所述的正结构有机太阳能电池，其特征在于，所述封装覆盖层为透光玻璃或塑料。

4.如权利要求1所述的正结构有机太阳能电池，其特征在于，所述透光基板为玻璃基板或塑料基板。

5.如权利要求1所述的正结构有机太阳能电池，其特征在于，所述透光导电阳极为铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)、锑锡氧化物(ATO)或氧化锌铝(AZO)的薄膜。

6.如权利要求1所述的正结构有机太阳能电池，其特征在于，所述电洞传输层为聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸复合物(PEDOT：PSS)、[9,9?二辛基芴?共?N?[4?(3?甲基丙基)]?二苯基胺](TFB)或聚[N，N’?双(4?丁基苯基)?N，N’?双(苯基)?联苯胺](PTPD)。

7.如权利要求1所述的正结构有机太阳能电池，其特征在于，所述主动层为PBDTTT?EFT：PCBM、PBDB?T：ITIC、PBDTTT?EFT：PC71BM、或P3HT：PCBM，并使用氯苯或甲苯为溶剂所制成。

8.如权利要求1所述的正结构有机太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为氧化锆(ZrOx)、氧化锌(ZnO)或氧化钛(TiO2)。

说明书：正结构有机太阳能电池技术领域[0001] 本发明涉及一种正结构有机太阳能电池(normalstructurepolymersolarcell)，特别是有关于一种具有双层阴极结构的正结构有机太阳能电池。背景技术[0002] 在现有的高分子有机太阳能电池中，如图1所示，其基本结构由下而上依序包含玻璃基板10、阳极20、电洞传输层30、主动层40、电子传输层50及阴极60，其产生电流的原理主要是利用太阳光的照射，会在主动层40结构中产生电子与电洞对，进而造成电子与电洞分离并分别往电池的顶部和底部运动，其中电洞经由电洞传输层30而被阳极20所收集，电子沿着电子传输层50而注入阴极60，再结合外电路导通后，形成电压降，以产生电能。[0003] 早期有机太阳能组件制造中，尚未发展出成熟的封装技术。而在反结构有机太阳能电池组件中，普遍采用高稳定性的银电极作为最上层电极，可以有效阻隔水氧的渗透。然而，正结构有机太阳能电池因为存在银电极与主动层40的功函数不匹配的问题以及银电极的高成本问题，对于阴极60金属的选择，大部分是以铝电极为首选，组件制作完成后，再进行封装，也能达到高阻隔水氧的效益。但是封装技术并无法完全阻隔水氧进入封装组件内部，因此，不可避免的是，当组件长期置放于非氮气环境之中，仍有极少量的水氧会经由封装交接处的树脂渗入组件内部，导致组件材料劣化，对于有机太阳能电池组件的长期稳定性有不利影响。发明内容[0004] 针对上述现有技术的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种正结构有机太阳能电池，采用了双层阴极结构，其以铝电极做为主动层的接触电极，并于铝电极上方增加一层较薄的银电极作为保护层，有助于改善封装过后微量水氧渗入而导致组件裂化的问题，使组件的使用寿命延长。[0005] 为了实现上述目的，本发明提出一种正结构有机太阳能电池，其包括依次由下而上相互迭加的透光基板、透光导电阳极、电洞传输层、主动层、电子传输层及阴极，其中阴极包括铝电极和银电极，铝电极连接电子传输层，银电极连接铝电极，且铝电极的厚度至少为60纳米，有足够的厚度使表面的铝电极不易受下层接口层的影响，银电极的厚度小于50纳米，以保护封装后少量渗入的水气与铝电极反应，以增加正结构有机太阳能电池的稳定性。

[0006] 在本发明的其中的一个实施例中，还包括封装覆盖层，封装覆盖层包覆于透光导电阳极、电洞传输层、主动层、电子传输层和阴极的外周，并与透光基板利用封装胶作接合封装。[0007] 在本发明的其中的一个实施例中，封装覆盖层为透光玻璃或塑料。[0008] 在本发明的其中的一个实施例中，透光基板为玻璃基板或塑料基板。[0009] 在本发明的其中的一个实施例中，透光导电阳极为铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)、锑锡氧化物(ATO)或氧化锌铝(AZO)的薄膜。[0010] 在本发明的其中的一个实施例中，电洞传输层为聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸复合物(PEDOT：PSS)、[9,9?二辛基芴?共?N?[4?(3?甲基丙基)]?二苯基胺](TFB)或聚[N，N’?双(4?丁基苯基)?N，N’?双(苯基)?联苯胺](PTPD)。[0011] 在本发明其中的一个实施例中，主动层为高分子聚合物：富勒烯或非富烯受体材料及其衍生物。[0012] 在本发明其中的一个实施例中，主动层为PBDTTT?EFT：PCBM、PBDB?T：ITIC、PBDTTT?EFT：PC71BM、或P3HT：PCBM，并使用氯苯或甲苯为溶剂所制成。[0013] 在本发明其中的一个实施例中，电子传输层为氧化锆(ZrOx)、氧化锌(ZnO)或氧化钛(TiO2)。[0014] 底下利用具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达到的功效。附图说明[0015] 图1为一种现有技术的正结构有机太阳能电池的结构示意图。[0016] 图2为本发明实施例的正结构有机太阳能电池的结构示意图。[0017] 图3为具有双层阴极结构和具有单层阴极结构的正结构有机太阳能电池分别进行水气渗透的加速老化测试的组件劣化情形。[0018] 图4为具有双层阴极结构和具有单层阴极结构的正结构有机太阳能电池分别置于户外进行老化测试的组件劣化情形。[0019] 图5为使用不同银电极厚度的具有双层阴极结构的正结构有机太阳能电池分别进行水气渗透的加速老化测试的组件劣化情形。[0020] 附图标记说明：[0021] 10玻璃基板[0022] 20阳极[0023] 30电洞传输层[0024] 40主动层[0025] 50电子传输层[0026] 60阴极[0027] 110透光基板[0028] 120透光导电阳极[0029] 130电洞传输层[0030] 140主动层[0031] 150电子传输层[0032] 160阴极[0033] 161铝电极[0034] 162银电极[0035] 170封装覆盖层[0036] 171封装胶具体实施方式[0037] 以下通过具体的实施例进一步说明本发明的技术方案，具体实施例不代表对本发明保护范围的限制。其他人根据本发明理念所做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。[0038] 本发明中，例如“主动层为高分子聚合物：富勒烯或非富烯受体材料及其衍生物”，表示前者(高分子聚合物)和后者(富勒烯或非富烯受体材料及其衍生物)相互混掺而成。[0039] 再例如，“PBDB?T：ITIC”表示前者(PBDB?T)和后者(ITIC)相互混掺而成。[0040] 请参照图2，其显示本发明的实施例所提供的正结构有机太阳能电池的结构示意图。[0041] 本实施例的正结构有机太阳能电池主要是在透光基板110的上表面依次迭层制作出透光导电阳极120、电洞传输层130、主动层140、电子传输层150和阴极160。其中阴极160为双层阴极结构，包括有铝电极161和银电极162，铝电极161连接电子传输层150，银电极162连接铝电极161，且铝电极161的厚度至少为60纳米，银电极162的厚度则小于50纳米；例如，本实施例中铝电极161的厚度为100纳米，银电极162的厚度为20纳米。接着，在透光导电阳极120、电洞传输层130、主动层140、电子传输层150和阴极160的外周包覆设置有封装覆盖层170，并使用封装胶171将封装覆盖层170与透光基板110作接合封装。

[0042] 本实施例中，透光基板110可为玻璃基板或塑料基板；透光导电阳极120可为铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)、锑锡氧化物(ATO)或氧化锌铝(AZO)的薄膜；电洞传输层130可为聚二氧乙基噻吩：聚苯乙烯磺酸复合物(poly(3,4?ethylenedioxythiophene)：

poly(styrenesulfonate)，PEDOT：PSS)、[9,9?二辛基芴?共?N?[4?(3?甲基丙基)]?二苯基胺](poly[(9,9?dioctylfluorenyl?2,7?diyl)?co?(4,4'?(N?(4?sec?butylphenyl)，TFB)或聚[N，N’?双(4?丁基苯基)?N，N’?双(苯基)?联苯胺](poly[N，N’?bis(4?butylphenyl)?N，N’?bis(phenyI)?benzidine]，PTPD)；主动层140可为高分子聚合物：富勒烯或非富烯受体材料及其衍生物，例如，PBDTTT?EFT：PCBM、PBDB?T：ITIC、PBDTTT?EFT：PC71BM、或P3HT：

PCBM混掺系统，并使用氯苯或甲苯为溶剂所制成；电子传输层150可为氧化锆(ZrOx)、氧化锌(ZnO)或氧化钛(TiO2)；而封装覆盖层170可为透光玻璃或塑料。

[0043] 上述所列举出的各种组件的材料种类仅为示意，在实际应用上，只要各层组件的功函数(workfunction)关系能符合有机太阳能电池的要求即可，可有各种修改和变化。[0044] 本发明所提供的正结构有机太阳能电池具有双层阴极结构，其可利用刮刀溶液工艺来制作，并采用成本低廉的铝电极为主要用来传导电子的阴极材料。由于铝金属的表层碰到一点点水氧的时候，就很容易形成氧化铝，氧化铝的好处是可以对下层的铝金属有高的保护效果，但同时表层形成的氧化铝可能也造成电流搜集的问题。本发明则在铝电极之上再增加一层较薄的银电极作为保护层，使铝电极不易受水氧侵袭而氧化，经过封装之后，即可以有效达到二次阻隔水氧渗透的功能，而足以抵抗组件裂化，以延长组件的使用寿命。[0045] 以下则针对本发明的具有双层阴极结构的正结构有机太阳能电池进行组件的老化实验，同时和传统上为单层阴极结构的正结构有机太阳能电池作比较，以验证本发明相对于现有技术具有相对优异的抗老化功效。[0046] 老化实验(一)：[0047] 如图3所示，其显示具有双层阴极结构和具有单层阴极结构的正结构有机太阳能电池分别进行水气渗透的加速老化测试的组件劣化情形；图中四条曲线由上而下分别代表实验组2、对照组2、实验组1和对照组1。[0048] 在此老化实验中，实验组1和实验组2均为具有双层阴极结构的正结构有机太阳能电池，对照组1和对照组2均为具有单层阴极结构的正结构有机太阳能电池。具体地，实验组1的具体结构为ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT?EFT：PC71BM/ZrOx/Al/Ag，主动层所使用的溶剂为甲苯；对照组1的具体结构为ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT?EFT：PC71BM/ZrOx/Al，主动层所使用的溶剂为甲苯；实验组2的具体结构为ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT?EFT：PC71BM/ZrOx/Al/Ag，主动层所使用的溶剂为氯苯；且对照组2的具体结构为ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT?EFT：PC71BM/ZrOx/Al，主动层所使用的溶剂为氯苯。

[0049] 将四种正结构有机太阳能电池完全浸泡于水里，此环境的模拟为水气渗透的加速老化测试，并观察组件劣化的情况进而分析。[0050] 如表1所示，其显示以上各组的老化测试数据。[0051] 表1[0052][0053] 老化实验(二)：[0054] 如图4所示，其显示具有双层阴极结构和具有单层阴极结构的正结构有机太阳能电池分别置于户外进行老化测试的组件劣化情形；图中两条曲线由上而下分别代表实验组3和对照组3。

[0055] 在此老化实验中，实验组3为具有双层阴极结构的正结构有机太阳能电池，对照组3为具有单层阴极结构的正结构有机太阳能电池。具体地，实验组3的具体结构为ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT?EFT：PC71BM/ZrOx/Al/Ag，主动层所使用的溶剂为甲苯；对照组3的具体结构为ITO/PEDOT：PSS/PBDTTT?EFT：PC71BM/ZrOx/Al，主动层所使用的溶剂为甲苯。

[0056] 将两种正结构有机太阳能电池直接置放于户外，仅利用压克力板挡雨，并观察组件劣化的情况进而分析。[0057] 如表2所示，其显示以上各组的老化测试数据。[0058] 表2[0059][0060][0061] 由上述老化实验(一)、(二)的结果显示，加速老化测试中的实验组1、2相较于对照组1、2呈现出较好的抗老化效果，且较能维持长期的稳定性，而实际于户外进行老化测试的实验组3在抗老化效果以及长期稳定性方面也同样都比对照组3还要好。另外，由于未来大面积制备工艺的发展，进而延伸至大气下制备工艺的可行性，溶剂选用氯苯的组件，虽然相较于甲苯有较高的稳定性，但其毒性的危害，无论是对环境或者人体，一律都远大于甲苯，因此上述老化实验(二)选用甲苯作为主要溶剂，且由上述老化实验(一)的结果亦可得知，氯苯与甲苯所做的组件，其稳定性会有相同的趋势。[0062] 另外，本发明的具有双层阴极结构的正结构有机太阳能电池也利用下列老化实验，分析使用不同银电极厚度组件寿命的影响。[0063] 老化实验(三)：[0064] 如图5所示，其显示使用不同银电极厚度的具有双层阴极结构的正结构有机太阳能电池进行水气渗透的加速老化测试的组件劣化情形；图中四条曲线分别表示使用0纳米、20纳米、40纳米和60纳米厚度的银电极。

[0065] 如表3所示，其显示以上各组的老化测试数据。[0066] 表3[0067][0068][0069] 由上述老化实验(三)的结果显示，随着银电极厚度的增加，对于组件寿命的有所改善，但银电极厚度40纳米与60纳米的差异性不大，本发明将银电极厚度的范围定义为小于50纳米，将可兼顾材料成本与组件效能的需求。[0070] 综上所述，相较于稳定性有限的传统单层阴极结构，本发明所提供的正结构有机太阳能电池具有双层阴极结构的设计，在铝电极之上增设一层较薄的银电极，其中铝电极的厚度至少为60纳米，有足够的厚度使表面的铝电极不易受下层接口层的影响，而银电极的厚度小于50纳米，可保护封装后少量渗入的水氧与铝电极反应，可明显改善因水氧渗透进入组件而导致组件劣化的问题，可降低组件的生产成本，并能有效提升组件的使用寿命，使有机太阳能电池的发展往商业应用的方向更进一步。[0071] 另外，本发明所提供的正结构有机太阳能电池的制备工艺简单，不仅能够提升效率与稳定性，大大提升其性价比，并且可大面积化，达到半透明式，对于未来商品化的应用有着即为重要的贡献；此技术可投入建筑物集成太阳能电池技术(BuildingIntegratedPhotooltaic，BIP)应用于屋顶、天窗、外观、门窗等建筑之中，对于未来需要大量制造太阳能电池组件或是商业应用上提供很高的便利性。[0072] 以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以此限定本发明的保护范围，即凡是依据本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的保护范围内。