有机太阳能电池封装技术毕业设计

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1有机太阳能电池概述

1-1研究背景

随着化石能源的日益枯竭，可再生能源的寻求已经迫在眉睫，太阳能

作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源受到了人们的关注。据统计，地

球表面接受的太阳能辐射达到全球需求能源的一万倍，地球每平方米平均

每年受到的辐射可发电289kw.h,在全球4%的沙漠上装太阳光伏系统，

就足以满足全球能源需求。因此光伏发电具有广阔的发展空间。目前占光

伏市场主导地位的是单晶硅和多晶硅太阳能电池。但是，昂贵的成本是限

制无机太阳能电池进一步发展的重要因素。并且，中国多晶硅价格从去年

最高的超过300万元/吨，下降至目前大约120万元/吨。薄膜太阳能电池

等由于成本低,市场份额迅速扩大，这不仅对传统晶硅电池价格形成压制，

同时在一定程度上降低了太阳能发电成本。

从20世纪70年代开始人们就越来越关注有机太阳能的研制。在导电

聚合物上的研发利用取得很大的进步，有机半导体成为硅半导体的替代品

指日可待。机导电聚合物有其独特的优势：有机分子可以经过加工，不需

要得到晶体状无机半导体。特别是聚合物半导体的优越性是与廉价的加工

技术联系在一起。大量的研究表明，导电聚合物是集各种性能于一身的半

导体材料。导电聚合物又称导电高分子,是通过参杂手段,能使得电导率在

半导体和导体范围内的聚合物.自1970年代第一种导电聚合物一聚乙快

发现以来,一系列星星导电聚合物相继问世.常见的导电聚合物有聚乙快，

聚噫吩，聚毗咯，聚苯胺，聚苯撑，聚苯撑乙烯，和聚双焕等.有机薄膜聚合

物的快速发展，为有机薄膜太阳能电池的发展，提供有力的支持。机薄膜

太阳能电池也是一种薄膜器件，现在的各种成熟的薄膜制造技术为有机薄

膜太阳能电池的发展提供技术保障。有机聚合物太阳能电池具有可重复利

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用，质量轻，柔性强，对环境无污染，低成本，制作过程简易迅速等优点。

双层异质结概念的引入标志着有机太阳能电池的一个重要突破。1986

年,C.W.Tang［l］使用另一种有机半导体材料作为电子受体，与电子给

体材料（献菁铜）构成异质结,制备了双层结构的有机太阳能电池，大幅度

提高了有机太阳能电池的性能。1995年,Yu等⑵将共飘聚合物EH-PPV

和富勒烯（或其衍生物PCBM）混合在一起,制备了体异质结太阳能电池。

2001年,Shaheen等［3］使用氯苯作为溶剂来取代当时常用的甲苯,制备了

基于聚对苯乙焕富勒烯衍生物混合溶液（MDMO-PPV:PCB）性层的体异

质结太阳能电池。该器件的功率转换效率达到2.5%,几乎是甲苯作为溶剂

的器件效率（0.9%）的3倍。2003年,Padinger等⑷对P3HT:PCBM体异

质结太阳能电池进行热退火（75°C）以及外加电压（2.7V）的后期处理，

在白光照射下（功率为80mW/cm2）获得了3.5%的功率转换效率。2007

年,Peet等［5］报道称向PCPDTBT:PC7）BM混合溶液（溶剂为氯苯）中添加

很小体积比的alkanedithiol,制备的太阳能电池的效率从没有添加剂时的

2.8%提高到5.5%02012年,DO等［6］报道了效率高达8.62%的反型结构叠

层太阳能电池，主要采用了更高效的低带隙材料作为子电池的活性层。

2013年,you等［7］继续优化低带隙聚合物并采用Dou等所报道的器件结

构,制备的叠层太阳能电池效率首次突破10%（达到10.6%）o

1.2有机太阳能电池的基本结构

1.2.1单层有机太阳能电池器件

单层太阳能电池是由一层同质单一极性的有机半导体嵌入电极之间

而组成的电池器件，如图IT（a）,其结构为:玻璃基片•/电极/同质活性层

/电极，阳极一般是ITO,阴极一般是功函数低的金属Al,Ag,Ca,Mg

等。在有机单层器件中，两个电极功函数差别导致的内建电场是激子解离

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为电子和空穴的主要驱动力，然而，内建电场一般不足以将有机材料的激

子解离，所以激子解离效率极低。从而导致单层结构光电转换效率很低。

1.2.2双层异质结有机太阳能电池器件

双层异质结有机太阳能电池的给体和受体材料分层于阴极和阳极两

个电极间组成平面型D-A界面，如图17(b),其结构为：玻璃基片/阳

极/给体材料/受体材料/金属阴极，在双层异质结太阳能电池器件中电荷

分离的主要驱动力是给体和受体的LUMO的能极差(给体和受体界面的

电子势垒)。在界面处较大的势垒更有利于激子的解离。和单层器件对比，

双层异质结器件的优点在于提供更好的电子空穴通道。电子和空穴分别在

n型受体材料中和p型给体材料中传输，使电荷分离效率增大，自由电荷

重新复和率减小。

1.2.3体异质结有机太阳能电池器件

本体异质结有机太阳能电池的给体和受体在活性层中是充分混合的，

D-A界面存在于整个活性层。如图IT(c),其结构为：玻璃基片/阳极/

混合活性层材料/金属阴极，与双层异质结相似，都是用D-A界面效应来

转移电荷。区别在于本体异质结在整个活性层产生电荷分离，而双层异质

结只在界面处产生电荷分离，所以本体异质结器件中激子解离效率较高，

复合的概率较小，本体异质结有机太阳能电池活性层材料的形貌和受体/

给体的混合程度，对光电流的产生和能量转换效率有很大的影响。粒径的

尺寸太大会降低电荷的分离效率，太小会阻碍电荷的传输，因此，优化材

料粒径大小可以较好的提高电荷分离效率和输运效率。

二元体异质结有机太阳能电池的活性层材料中包含一种给体材料和

一种受体材料，而近研究发现的三元有机太阳能电池包括两种给体材料和

一种受体材料或两种受体材料一种给体材料，能够扩展宽带隙聚合物材料

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的吸收光谱至近红外区域，这种方法简单有效。和传统的二元体系有机太

阳能电池相比，三元有机太阳能电池具有一定的优势。通过合理的设计，

在主体系中引入适当第三种材料•，有源层的能级和吸收光谱能够得到调

节。能级的调节有助于提升有机太阳能电池的开路电压，进而提升电池的

光电转换效率，同样，有源层吸收光谱的扩展能够增大其对太阳光子的捕

获，提升短路电流。此外，级联的能级结构可以促进载流子的传输，形貌

的改善有益于激子的解离和载流子的收集，能量传递能够辅助激子解离，

提高激子的解离效率。综合运用三元有机太阳能电池的这些优势，提高对

三元有机太阳能电池机理的理解，将有助于推动有机太阳能电池的发展。

1.2.4叠层结构有机太阳能电池器件

叠层结构有机太阳能电池器件是将多个单元器件串联做成一个器件，

从而最大限度的吸收太阳光谱，使电池的开路电压和效率得到提高。如图

1-1（d）,其结构为：玻璃基片/阳极（透明）/活性单元结构1/连接层/活性

单元结构2/阴极（背电极），太阳光谱的能量分布很宽，而一般材料的吸

收范围都是有限的，单一材料只能吸收部分太阳光谱能量。叠层结构的

电池利用不同种类材料的不同光谱吸收范围，提高对太阳光谱的吸收，从

而提高效率。由于串联的原因，叠层结构电池的开路电压一般大于其子单

元结构的开路电压，其转换效率主要受到光生电流的限制。因此，更好的

选择各子电池的能隙宽度和厚度是叠层结构电池设计的关键，保证各个子

电池之间的欧姆接触，从而得到高的转换效率。

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1.3有机太阳能电池工作原理

有机太阳能电池的基本原理是光生伏特效应。器件的活性层吸收光，

并通过光电效应将其转化为电能。有机异质结的活性层通常是由N型(电

子传输有利)和P型(空穴传输有利)两种不同类型的导电材料组成的。当

能量大于禁带宽度的光入射到太阳能电池器件上时，器件的活性层材料会

吸收入射光,入射的光子会激发产生不平衡的电子-空穴对，即激子，如图

1-2(a)。激子在薄膜内会进行自由扩散。当激子扩散至异质结处时，由于

内建电场的作用，激子发生解离,P型材料的电子进入到N型材料,N型材

料的空穴进入到P型材料，如图「2(b)。P型材料积累的空穴和N型材

料积累的电子产生了由P型材料指向N型材料的电场，这个电场的方向与

内建电场的方向相反，在平衡时场强与内建电场相等，这就是光生伏特效

应。在生成载流子之后电子和空穴分别在N型材料和P型材料传输。最

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终分别在阴极和阳极进行收集，如图『2(c)。因此,有机太阳能电池的工

作过程可以总结为：1,光吸收;2,激子的产生；3,激子的扩散;4,激子解离

成自由载流子;5,载流子传输;6,载流子复合；7,载流子的输出。

透明阳极透明阳极透明阳极

勤

k

英旎

聚合物

聚

铝阴极铝用极

(a)(b)(c)

图1-2

1.4有机太阳能电池器件特性

1.4.1光谱响应

光谱响应指的是太阳能电池对某些波长的光有着不同的敏感，呈现的

特点是，在光的照射下，电路的电流随着不同的波长而发生改变，并能给

出最大的电流，具有最大的响应值。光谱响应的曲线一般是由太阳能电池

的结构、活性材料以及电极材料等决定的。

光谱响应的曲线被称为量子效率曲线，其又可以分为外量子效率曲线

和内量子曲线。从量子效率曲线上可以了解界面以及各组成半导体面对载

流子的提取能力的大小，从而对太阳能电池的界面进行优化，进而提高太

阳能电池的性能，最终提高太阳能的转化效率。

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外量子效率指的是入射的光字数和产生的电子数的比值就，即是入射到电

池上的每一个光子产生的少数载流子或者是空穴电子对的数目。可以用公

式表示为

口八万输出电子数1240x7

EQE-.......；—=踱—(1—1)

~入射光子数PxX(nm)

in

入射光源一定，/SC的大小和EQE有关，其中;I是入S射C光子的波长，/是

器件的光电流，Pm模拟光的入射功率。内量子效率指的是太阳能电池吸

收的光子和产生的光子的比值，即在太阳能电池中吸收的每一个光子产生

的载流子或者是空穴电子对的数目。对于不同的材料入射的光子的数目是

不同的，同种材料而言入射的光子也不一定能被全部的吸收，产生的电子

也不一定全部产生电能，对于太阳能电池而言量子效率高而能量转换效率

低。

1.4.2开路电压

当太阳能电池在开路的情况下，被分离的载流子将会在p-n结界面大

量的街垒，在一定的程度上补偿了接触电动势，这是产生的光生电动势被

称为开路电压。且尺广8的时候，开路电压为V=竺)」1)(，+1)。对于

有机太阳能电池的开路电压也受到其它因素的影响，如有机半导体的

材料，有机太阳能电池的结构，供体材料的浓度等。主要影响的是体异

质结有机太阳能电池的开路电压则是由供体材料的HOMO和受体材料的

LUMO决定的。对于给体和PCBM体系的有机太阳能电池的开路电压

V8可以用下式表示：

V=1DonorJ_PCMB])-0.3(1-2)

oceHOMOhuno

其中e是电子电荷量，EDonor和EPCMB指的是给体的HOMO能级和

HOMOlumo

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PCBM的LUMO的能级。

1.4.3.短路电流

太阳能电池在短路的情况下的电流称为短路电流.在理想的情况下有

机太阳能电池的短路电流是由有机半导体内的光诱导载流子密度和在粒

子迁移率决定的。可以用下式表示：（「〃外“其中n是载流子的密度，e

是电子的电荷量，〃指的是载流子的迁移率，E是电场大小。假设若在体

异质结太阳能电池中光激发产生的电子的效应为100%,那么n指的是单

位体积内的吸收的光子数目。

1.4.4最大输出功率

当太阳能电池两端接上负载时，负载中就会有电流通过，电流被称为

太阳能电池的工作电流或称为负载电流或者是输出电流。负载两端的电压

称为工作电压。若用负载的最大的输出电压和最大的输出电流的乘积最大

就可以得到最大的输出功率，最大工作电压用Umax表示，最大工作电流

用/表max示，最大输出功率用mPax表示。在伏安曲线上m。ax,maIx,mpax表

示如图1-3。

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图1-3太阳能电池的伏安曲线/R一短路电流；开路电压；

I一最大工作电流；V—最大工作电流；P—最大工作功率

maxmaxmax

1.4.5填充因子

填充因子是太阳能电池的另外一个重要的参数，指的是最大工作功率

与开路电压和短路电流乘积的比值，用公式表示为

PIV

rr—max=maxmaxr1、

IVIV

scocscoc

其中/是最大工作电流，V是最大工作电压，/是短路电流，V是

maxmiixscov

开路电压。一般而言填充因数越高，伏安曲线越趋近于矩形，太阳能电池

的光电转化效率越高。

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1.4.6功率转化效率

太阳能电池的功率转化效率指的是太阳能电池的最大输出功率与入

射到太阳能电池表面的太阳光能量的比值，用公式表示为

PFFxVx//,「、

T|=―m-ax-=-----------QC---------------"(1-5)

PP

inin

其中FF是填充因数，/是短路电流，V是开路电压。

SCOV

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2.几种常见的有机太阳能电池封装技术

2.1有机太阳能电池封装技术的提出

使用寿命和稳定性是有机太阳能电池进入实用化生产必须解决的问

题。有机太阳能电池容易受到空气中水分和氧气的影响，其性能快速衰减。

对于器件的稳定性的提高，封装技术起决定性作用，没有良好的封装工艺，

多好的电池也生产不出好的组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得

到保证，而且还增强了电池的抗击强度。

目前太阳能电池一般采用EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)作为封装材

料，这种封装技术发展的比较成熟，且能够满足太阳能电池封装的基本要

求，但是存在一些不足。人们在探究如何改进传统的封装方法的同时，又

提出了和传统工艺完全不同的封装方法。

2.2几种封装技术的介绍

2.2.1EVA玻璃封装

采用EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)做封装材料，成本较低。采用真

空层封装工艺，将太阳能电池片夹在两层热熔性EVA胶膜中间，通过真

空热层压使EVA胶膜将电池片，地铁钢化玻璃正面改版和聚氟乙烯复合

膜背板黏合为一体，周边用率和件边框固定如图2T(a)。除此还有采用

双面玻璃封装的太阳电池组件如图2-1(b)o

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玻璃

玻璃上电极互连条透明EVA胶膜

电

极

引

导

线

透明EVA胶膜玻璃

背电极太阳电池聚氧乙烯焚合膜

（a）（b）

现有的EVA玻璃封装工艺已基本能满足工业化的需求，恩能够偶进

行大规模的生产。但是，也存在着缺陷，工艺复杂，成本较高，成产效率

低，并且EVA膜的抗老化性能较差，使用过程中亦老化，降低了太阳能

电池的使用寿命和光电转换效率。并且，这种工艺对玻璃的要求也很高，

若玻璃表面不干净，透光率就会降低，损失了光电转换效率。另外，这种

封装的太阳能电池维修困难运输不便。这些不足都影响着太阳能电池的进

一步发展和使用。

2.2.2盖板和背板材料的改进

一方面可以通过镀减反射膜降低玻璃的反射率，从而提高光伏组件的

输出功率（大约提高3%~4%［8］）.制作减反射膜的方法有很多种，例如真

空沉积法，浸蚀法，高温烧结法，溶胶凝胶法但是目前报道效果比较好的

就是由丹麦SnaretechnologyA/S开发的一种减反射膜技术［9］。另一方

面就是提高玻璃的强度，减少玻璃的厚度，减轻组件的质量。另外就是研

究盖板玻璃的替代材料。目前见到的替代材料有PVF（聚氟乙烯），PMMA

（聚甲基丙烯酸甲酯），PC（聚碳酸酯），PTFE（聚四氟乙烯）等。在柔

性电池封装方面，常见到的改版材料有ETFE（乙烯四伏乙烯共聚物），

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FEP（四氟乙烯六氟丙烯共聚物）等。这些材料的缺点是不能长期保持高

的透过率和低的水汽透过率。太阳电池的背板材料除了TPT以外，常用

的还有TPE,其他的还有PVF/AL/PVF和PVF/AL/PET/PVF结构。现

在还有很对共走是利用溅射法和化学气相沉积等技术在PET上镀一层或

多层阻隔膜层，降低水汽透过率，制作新型背板材料另外，还

可以通过改变盖板和背板材料来使组件呈现不同的颜色。首先，使用彩色

背面材料，这在一定程度上能改变组建的外观；其次，使用荧光染色技术,

在正面玻璃上镀一层FCA（荧光染色剂［12］）,或者会接将正面玻璃改成

荧光板［13］,利用这些技术可以使组件呈现多种颜色，同时效率会明显降

低。

2.2.3封装用粘合剂的改进

1.丙烯类热塑性树脂组合物

为解决上述问题，保谷裕等人［14］发明了一种在非交联状态下具有良

好机械强度、密封性、透明性、耐候性的太阳能电池密封片材的热塑性树

脂组合物。该热塑性树脂由丙烯类聚合物和丙烯类共聚物构成,其中丙烯

类共聚物为丙烯与至少一种除丙烯之外的碳原子数为2〜20的a2烯燃

形成的共聚物。为了提高热塑性树脂组合物层与含有具有极性基团树脂、

含有50%以上金属及玻璃上无机化合物等其它层的粘合性，在封装时，还

应使用诸如硅烷类的偶联剂。采用该热塑性树脂,在一定程度上缩短了层

压时间,提高了太阳能电池的生产效率。

2.乙烯-（甲基）丙烯酸酯类

由于EVA的吸湿性较高，水分会导致密封材料层的绝缘性下降。另

外,在增加热量、紫外线、吸湿量等特定条件下，EVA会产生极微量的乙

酸,有可能会腐蚀电极或母线等而使发电效率降低。近年来,西岛孝一等人

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［15］以乙烯2（甲基）丙烯酸酯共聚物为原料,添加特定的有机过氧化物并

按一定的比例加入交联助剂，能够得到性能很好的密封材料。

2.2.4用透明树脂替代玻璃封装

在真空条件下，作为导线的鸨丝通过针孔穿过玻璃安甑的玻璃封装方

法是一种繁琐的封装技术。尽管完整玻璃封装的工作性能好，这种玻璃封

装方法操作复杂，容易出现操作失误。为克服玻璃封装带来的各种缺陷，

人们大力开发了新型太阳恩能够电池封装技术，提出轻质，透明，低折射

率的各种透明树脂版替代玻璃。但是普通的透明树脂耐候性差，耐试剂性，

耐污染性较差。氟树脂基于分子内的C-F键的高能量和低极化率，地折

射率，耐试剂性，防水防油性，耐污染性，被应用于各种用途，由于氟系

膜的机械强度较低，勇气作为封装材料，会使太阳能电池组件的机械强度

降低，太阳能电池元件已损坏，因此，将透明树脂和含氟树脂配合使用，

可生产出高耐水解性，透明性，耐候性和轻量化，且机械强度高的密封膜。

宫治新一郎等人［16］采用机械特性和加工性优异的廉价聚酯膜为基

材,在此基材上附上一层由金属、金属氧化物或无机化合物中的至少一种

构成的膜，制成太阳能电池组件用的复合密封膜.聚酯聚合物以芳香族二

竣酸、脂肪族二竣酸或脂肪族二竣酸和二醇作为主要组分，其中所合成的

聚对苯二甲酸乙二醇的双拉伸膜和聚-2,6-蔡二甲酸乙二醇酯的双轴拉伸

膜的性能最好。

长门大等人［17］采用聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯,丙烯酸树脂、

聚乙烯等透明树脂作为密封膜的基材。其中聚碳酸酯的透明性优异，透光

率达90%以上，且硬度等机械性能良好,但耐擦伤性、耐候性较差，可涂布

固化性氟树脂组合物提高其性能.固化性氟树脂由氟树脂和固化剂组成。

其中氟树脂是由具有氟代烯燃单元、乙烯酸单元和具有固化部位的单体单

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元的共聚物或具有氟代烯姓单元、乙烯酯单元和具有固化部位单体单元的

共聚物。固化剂则采用异氟酸酯系或氨基树脂系固化剂。太阳能电池密封

膜是厚度为loopm的聚碳酸酯,并在其上涂布干燥后膜厚为50|Jm的氟

树脂组合物.在透明树脂上涂布一层含氟树脂，不仅能保证密封膜具有较

高的机械强度和透光率,而且还具有很好的耐湿、耐候和耐久性,能够满足

太阳能电池封装的要求。同时,该密封膜较薄且柔软,可做成重量轻的太阳

能电池组件，也使得太阳能电池的维修变得简便，极大地拓宽了其应用范

围。这种封装的不足之处是，由于透明树脂和含氟树脂是分别涂布在元件

表面的，使封装工艺较繁琐,叠成界面容易剥离。

在光敏材料上旋涂ZnO溶液，随后滴下UV树脂溶液处理的封装方

法［18］被报道过，UV树脂溶液由丙酮和UV树脂组成，对人的皮肤和眼

睛有刺激性。并且为了使封装层有一定的厚度，UV树脂需要重复几次涂

覆。

2.2.5其他封装方法

1.无机薄膜封装

无机薄膜封装常采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和原子层

沉积(ALD)的方法，硅、氧化硅和氮化硅等无机薄膜常用PECVD沉积，

薄氧化锌、氧化钛和氧化铝层等常用ALD沉积。而无机薄膜需要达到足

够高的势垒才能对有机光电子器件起到封装作用，由于无机薄膜有着不可

避免的缺陷，无机薄膜需要和聚合物薄膜交替形成多层薄膜的堆积。

2.半固化片封装

半固化片是目前行业内应属于覆铜板和多层印制线路板必不可少的

半成品。其主要构成是由增强材料，包括玻璃纤维布，无纺布或木浆纸等,

经熟化混合树脂浸润和烘干而成。由于半固化片的树脂呈半固化状态，在

高温下，树脂可以重新熔融粘合并完全固化，这种特性常用语光伏器件的

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封装。采用玻璃衬底和铝电极板组装的器件可用玻璃纤维热固性环氧树脂

（半固化片）封装，需要在封装器件上方放置铅块形成机械压力，并且需

要热固化12小时，这种半固化片封装技术不能有效的应用到柔性器件。

3.一种封口膜封装新方法

3.1封口膜封装掺杂小分子材料的三元有机太阳能电池

我们基于聚合物太阳能电池报道了使用封口膜封装的新方法。封口膜

（见图3T）是一种自动封口、可模压、韧性好的特制薄膜产品，具有独

特的渗透性能，卓越的水汽通透性能和很强的抗腐蚀性能。封口膜在70℃

时会软化具有粘性，能够有效密封光电器件。封口膜封装不失为一个简有

效的封装方法。

图3-1封口膜

同时，为了获得高质量的密封膜，提高有机太阳能电池的光电转换效

率尤为关键。近年来有机太阳能电池的能量转换效率虽然获得了突破性的

进展（10%）,但是离有机太阳能电池的商业化还有一定的距离。众所周知,

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有机半导体材料较窄的吸收光谱是限制其电池性能的主要因素。为了克服

这一限制，研究者们在各个方面采用不同的方法对其进行研究。例如，设

计与合成新型的，潜力高的低带隙共初聚合物能够扩宽材料对光的吸收范

围，提高光子捕获［19］。或者，用吸收光谱互补的聚合物构成叠层太阳能

电池［20］。叠层太阳能电池能够收集与聚合物带隙共振的光子，使热化损

失降到最低。然而制备多层堆叠的太阳能电池面临着一系列的挑战，如，

制备强健的中间层，耦合吸收互补的聚合物和控制各个子电池有源层的厚

度等。前文提到的三元有机太阳能电池不失为扩展吸收光谱的简单而有效

的方法。

三元有机太阳能电池是介于二元太阳能电池和叠层太阳能电池之间

的一种器件结构。通过合理的设计，在主体系中引入适当第三种材料，有

源层的能级和吸收光谱能够得到调节，如图3-2。能级的调节有助于提升

有机太阳能电池的开路电压，进而提升电池的光电转换效率，同样，有源

层吸收光谱的扩展能够增大其对太阳光子的捕获，提升短路电流。和叠层

电池相比，三元有机太阳能电池具有简单的制备工艺，较高的成品率和丰

富的优化手段。我们在体异质结有机太阳能电池的有源层参杂低三种材

料。

Q、|HostmatrixofAbsorberl:Acceptor

Absorber2(Sensitizer)

Transparentelectrode

OrganictandemsolarcellOrganicternarysolarcell

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图3-2三元有机太阳能电池的结构图，两种材料的吸收光谱互补

有机小分子材料基本上是含有共枕体系的分子，能够很好地利用可见

光，与聚合物搭配使用，能够得到更好的性能。2,4-双［4-（氮，氮-二异丁

烯）-2,6-二羟苯基］方酸（DIB-SQ）具有高载流子迁移率，高吸光系数，

宽光谱响应范围，易提纯，批次稳定性好等优点［21-23］。DIB-SQ作为

第二给体材料掺聚合物聚三已基睡吩（P3HT）:富勒烯衍生物（PC7FM）

中体系中能够补偿P3HT对较低能量光子的捕获，提升短路电流和器件效

率。所以，基于用P3HT:P3HT:DIB-SQ:PC7］BM体系的三元有机太阳

能电池具有较大的研究价值。制备好的聚合物太阳能电池使用封口膜热处

理的方法进行封装。

3.2封口膜封装实验

1.清洗玻璃衬底

分别用清洗剂、酒精和去离子水在超声波清洗器中连续清洗氧化锢锡

（ITO）玻璃衬底（薄膜电阻15Q）,用氮气吹干。为了进一步清洗衬底

以及提高ITO的功函数，紫外臭氧处理ITO衬底10分钟。

2.旋涂PEDOT:PSS,有源层，A1电极

超薄层聚二氧乙基口塞吩：聚对苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）以5000

rpm的转速在ITO衬底上进行40s旋涂。在120℃的室内环境下对旋涂了

PEDOT:PSS的ITO衬底进行10分钟的干燥处理。聚合物P3HT和富勒

烯PC71BM以1:0.8的质量比溶入邻二氯苯中（36mg/ml）oDIB-SQ以

1.2w说的质量比掺入P3HT:PC71BM的溶液中。以600rpm的转速在

PEDOT:PSS上旋涂该混合溶液作为有源层。在10YPa的真空环境下沉

积修饰层InmLiF,在修饰层上沉积大约100nm的铝电极。ITO和铝电

极的重叠区域为有效面积，大约3.8mm2。

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3.封口膜封装

用对封口膜进行热处理的方法对准备好的聚合物太阳能电池进行封

装。封口膜（购买于PechineyPlasticPackagingCompany）是一种塑料薄

膜。封口膜在大约70℃时会变的柔软并且有粘性，所以在热退火的过程

中就可以完成聚合物太阳能电池的封装过程。准备好的封口膜平放在覆盖

有源层的铝电极上方。在充满氮气的手套箱内，对所有的聚合物太阳能电

池进行10分钟120C的退火。待器件冷却到室温时，封口膜自发的与器

件紧密的贴在一起，封口膜和铝电极交叠区域失去了铝的光泽，如图3-3

（c）所示。为了器件的寿命测量，所有的器件存放在室温暗环境下的培

养皿中。

薄膜的吸收光谱用日本岛津公司的UV-3101PC分光仪测试，电流

电压（/-V）特性使用吉时利4200半导体特性分析系统和ABETSim2000

太阳能模拟器。使用材料的化学结构、聚合物太阳能电池的示意图以及制

备的封装、未封装器件实物图如图3-3所示。

图3-3.（a）有机材料P3HT,PC7|BMandDIB-SQ的结构图；⑹聚

合物太阳能电池的示意图；（c,d）封装机未封装聚合物太阳能电池的实

物图。

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3.3实验结果与讨论

P3HT,PC71BM,DIB-SQ以及它们混合薄膜的吸收光谱如图3-4所

示。小分子材料DIB-SQ的吸收峰在690nm,与最高分子占据轨道(HOMO)

和最低分子占据轨道(LUMO)之间的带隙一致。聚合物P3HT有从400nm

到650nm很宽的吸收光谱范围，吸收峰在520nm和610nm。DIB-SQ

和P3HT的吸收光谱有很强的互补性。三元混合薄膜的吸收光谱从可见光

区域扩展到红外区域。PC7|BM材料有很宽的吸收范围,并且在375nmand

480nm处有明显的吸收峰，可以吸收更多的光子来提高聚合物太阳能电

池的性能。DIB-SQ的掺杂应该使三元混合薄膜中的光子收集和电荷载流

子传输相平衡。根据我们的实验经验，DIB-SQ的最佳掺杂浓度是1.2%。

Wavelength(nm)

图3—4.P3HT,PC71BM,DIB-SQ和P3HT:DIB-SQ:PC7IBM薄膜的归

一化吸收光谱。

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Voltage(V)Voltage(V)

图3-5.在AM1.5G,100mW/cnP的光照下封装/未封装的二元聚合物

太阳能电池和三元聚合物太阳能电池的初始J-V特性。

表3T.在AM1.5G,100mW/cm2的光照下封装/未封装的二元聚合

物太阳能电池和三元PSCs的关键光伏参数.

WithEncapsulationWithoutEncapsulation

ActivelayerVVFFPCE

oc___oc

JFFPCEJ

SCsc

[mA/cm2][V][%][%][mA/crn2][V][%][%]

P3HT:PC71BM6.760.60622.546.580.60622.46

P3HT:DIB-SQ:PC71BM7.830.60622.937.760.60622.87

封装/未封装的二元聚合物太阳能电池和三元聚合物太阳能电池的初

始J-V特性如图3-5所示。在表3T中总结出封装/未封装的二元聚合物

太阳能电池和三元聚合物太阳能电池的关键光伏参数。我们可以很明显的

看出封装器件比未封装器件的PCE要好。聚合物太阳能电池的性能是从

充满氮气的手套箱中取出后测量的，可能由于封口膜有效阻止了空气对

A1电极的影响导致了封装聚合物太阳能电池PCE的提高。同时，掺杂

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DIB-SQ的器件封装后的PCE从2.54%提高到2.93%。为了进一步证实

封口膜封装对聚合物太阳能电池稳定性的影响，我们测得了经过不同存储

时间之后的八V曲线。封装与未封装聚合物太阳能电池相比性，封装器件

的性能明显表现出了相对缓慢的衰减。三元聚合物太阳能电池经不同存储

时间后的J-V曲线如图3-6a和b所示。

g

(9b

OA0n

m

(

rv

Ayt2

s

m-2

(n

v-4e

fd

k-6t4

o-8n

ne

er

dr

tu6

nc

e

r

r

h8

o

0.00.10.20.30.40.50.60.00.10.20.30.40.50.6

Voltage(V)Voltage(V)

图3-6封装与未封装三元聚合物太阳能电池随着存贮时间座偌帙。

表3-2封装与未封装三元聚合物太阳能电池存储期间器件的关键光伏参数。

WithEncapsulationWithoutEncapsulation

TimeJSCVFFocPCEscJocVFFPCE

[h][mA/cm2][V][%][%][mA/cm2][V][%][%]

07.830.60622.937.760.60622.87

247.210.60622.696.620.60592.34

486.980.60622.605.950.60582.08

726.440.60622.394.940.60581.72

966.280.60622.334.520.60581.56

1206.110.60612.254.030.60571.39

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1445.950.60612.193.690.60571.27

1685.840.61612.173.370.60571.16

根据随存储时间变化的J-V曲线，我们在表3-2中总结出封装与未封

装三元聚合物太阳能电池的关键光伏参数。封装三元聚合物太阳能电池经