有機太陽能電池封裝技術(shù)畢業(yè)設(shè)計

1、1有機太陽能電池概述1.1 研究背景隨著化石能源的日益枯竭,可再生能源的尋求已經(jīng)迫在眉睫，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的綠色能源受到了人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，地球表面接受的太陽能輻射達到全球需求能源的一萬倍，地球每平方米平均每年受到的輻射可發(fā)電289kw.h，在全球4%的沙漠上裝太陽光伏系統(tǒng)，就足以滿足全球能源需求。因此光伏發(fā)電具有廣闊的發(fā)展空間。目前占光伏市場主導地位的是單晶硅和多晶硅太陽能電池。但是,昂貴的成本是限制無機太陽能電池進一步發(fā)展的重要因素。并且，中國多晶硅價格從去年最高的超過300萬元/噸，下降至目前大約120萬元/噸。薄膜太陽能電池等由于成本低,市場份額迅速擴大，這不僅對傳統(tǒng)

2、晶硅電池價格形成壓制，同時在一定程度上降低了太陽能發(fā)電成本。從20世紀70年代開始人們就越來越關(guān)注有機太陽能的研制。在導電聚合物上的研發(fā)利用取得很大的進步，有機半導體成為硅半導體的替代品指日可待。機導電聚合物有其獨特的優(yōu)勢：有機分子可以經(jīng)過加工，不需要得到晶體狀無機半導體。特別是聚合物半導體的優(yōu)越性是與廉價的加工技術(shù)聯(lián)系在一起。大量的研究表明，導電聚合物是集各種性能于一身的半導體材料。導電聚合物又稱導電高分子,是通過參雜手段,能使得電導率在半導體和導體范圍內(nèi)的聚合物.自1970年代第一種導電聚合物聚乙炔發(fā)現(xiàn)以來,一系列星星導電聚合物相繼問世.常見的導電聚合物有聚乙炔,聚噻吩,聚吡咯,聚苯胺,聚

3、苯撐,聚苯撐乙烯,和聚雙炔等.有機薄膜聚合物的快速發(fā)展，為有機薄膜太陽能電池的發(fā)展，提供有力的支持。機薄膜太陽能電池也是一種薄膜器件，現(xiàn)在的各種成熟的薄膜制造技術(shù)為有機薄膜太陽能電池的發(fā)展提供技術(shù)保障。有機聚合物太陽能電池具有可重復利用，質(zhì)量輕，柔性強，對環(huán)境無污染，低成本，制作過程簡易迅速等優(yōu)點。雙層異質(zhì)結(jié)概念的引入標志著有機太陽能電池的一個重要突破。1986年,C. W. Tang1使用另一種有機半導體材料作為電子受體,與電子給體材料(酞菁銅)構(gòu)成異質(zhì)結(jié),制備了雙層結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池，大幅度提高了有機太陽能電池的性能。1995年,Yu等2將共軛聚合物EH-PPV和富勒烯(或其衍生物PCB

4、M)混合在一起,制備了體異質(zhì)結(jié)太陽能電池。2001年,Shaheen等3使用氯苯作為溶劑來取代當時常用的甲苯,制備了基于聚對苯乙炔富勒烯衍生物混合溶液(MDMO-PPV:PCB)性層的體異質(zhì)結(jié)太陽能電池。該器件的功率轉(zhuǎn)換效率達到2.5%,幾乎是甲苯作為溶劑的器件效率(0.9%)的3倍。2003年,Padinger等4對P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)太陽能電池進行熱退火(75°C)以及外加電壓(2.7 V)的后期處理,在白光照射下(功率為80mW/cm2)獲得了3.5%的功率轉(zhuǎn)換效率。2007年,Peet等5報道稱向PCPDTBT:PC71BM混合溶液(溶劑為氯苯)中添加很小體積比的alk

5、anedithiol,制備的太陽能電池的效率從沒有添加劑時的2.8%提高到5.5%。2012年,DO等6報道了效率高達8.62%的反型結(jié)構(gòu)疊層太陽能電池,主要釆用了更高效的低帶隙材料作為子電池的活性層。2013年,you等7繼續(xù)優(yōu)化低帶隙聚合物并釆用Dou等所報道的器件結(jié)構(gòu),制備的疊層太陽能電池效率首次突破10% (達到10.6%)。1.2 有機太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)1.2.1單層有機太陽能電池器件單層太陽能電池是由一層同質(zhì)單一極性的有機半導體嵌入電極之間而組成的電池器件，如圖1-1(a)，其結(jié)構(gòu)為:玻璃基片/電極/同質(zhì)活性層/電極，陽極一般是ITO，陰極一般是功函數(shù)低的金屬Al，Ag，Ca，M

6、g等。在有機單層器件中，兩個電極功函數(shù)差別導致的內(nèi)建電場是激子解離為電子和空穴的主要驅(qū)動力，然而，內(nèi)建電場一般不足以將有機材料的激子解離，所以激子解離效率極低。從而導致單層結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換效率很低。1.2.2雙層異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池器件雙層異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池的給體和受體材料分層于陰極和陽極兩個電極間組成平面型D-A界面，如圖1-1(b)，其結(jié)構(gòu)為：玻璃基片/陽極/給體材料/受體材料/金屬陰極，在雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件中電荷分離的主要驅(qū)動力是給體和受體的LUMO的能極差（給體和受體界面的電子勢壘）。在界面處較大的勢壘更有利于激子的解離。和單層器件對比，雙層異質(zhì)結(jié)器件的優(yōu)點在于提供更好的電子空穴通

7、道。電子和空穴分別在n型受體材料中和p型給體材料中傳輸，使電荷分離效率增大，自由電荷重新復和率減小。1.2.3 體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池器件本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池的給體和受體在活性層中是充分混合的，D-A界面存在于整個活性層。如圖1-1(c)，其結(jié)構(gòu)為：玻璃基片/陽極/混合活性層材料/金屬陰極，與雙層異質(zhì)結(jié)相似，都是用D-A界面效應(yīng)來轉(zhuǎn)移電荷。區(qū)別在于本體異質(zhì)結(jié)在整個活性層產(chǎn)生電荷分離，而雙層異質(zhì)結(jié)只在界面處產(chǎn)生電荷分離，所以本體異質(zhì)結(jié)器件中激子解離效率較高，復合的概率較小，本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池活性層材料的形貌和受體/給體的混合程度，對光電流的產(chǎn)生和能量轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。粒徑的尺寸太大

8、會降低電荷的分離效率，太小會阻礙電荷的傳輸，因此，優(yōu)化材料粒徑大小可以較好的提高電荷分離效率和輸運效率。二元體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池的活性層材料中包含一種給體材料和一種受體材料，而近研究發(fā)現(xiàn)的三元有機太陽能電池包括兩種給體材料和一種受體材料或兩種受體材料一種給體材料，能夠擴展寬帶隙聚合物材料的吸收光譜至近紅外區(qū)域，這種方法簡單有效。和傳統(tǒng)的二元體系有機太陽能電池相比，三元有機太陽能電池具有一定的優(yōu)勢。通過合理的設(shè)計，在主體系中引入適當?shù)谌N材料，有源層的能級和吸收光譜能夠得到調(diào)節(jié)。能級的調(diào)節(jié)有助于提升有機太陽能電池的開路電壓，進而提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同樣，有源層吸收光譜的擴展能夠增大其對太陽

9、光子的捕獲，提升短路電流。此外，級聯(lián)的能級結(jié)構(gòu)可以促進載流子的傳輸，形貌的改善有益于激子的解離和載流子的收集，能量傳遞能夠輔助激子解離，提高激子的解離效率。綜合運用三元有機太陽能電池的這些優(yōu)勢，提高對三元有機太陽能電池機理的理解，將有助于推動有機太陽能電池的發(fā)展。1.2.4 疊層結(jié)構(gòu)有機太陽能電池器件疊層結(jié)構(gòu)有機太陽能電池器件是將多個單元器件串聯(lián)做成一個器件，從而最大限度的吸收太陽光譜，使電池的開路電壓和效率得到提高。如圖1-1(d)，其結(jié)構(gòu)為：玻璃基片/陽極(透明)/活性單元結(jié)構(gòu)1/連接層/活性單元結(jié)構(gòu)2/陰極（背電極），太陽光譜的能量分布很寬，而一般材料的吸收范圍都是有限的， 單一材料只能

10、吸收部分太陽光譜能量。疊層結(jié)構(gòu)的電池利用不同種類材料的不同光譜吸收范圍，提高對太陽光譜的吸收，從而提高效率。由于串聯(lián)的原因，疊層結(jié)構(gòu)電池的開路電壓一般大于其子單元結(jié)構(gòu)的開路電壓，其轉(zhuǎn)換效率主要受到光生電流的限制。因此，更好的選擇各子電池的能隙寬度和厚度是疊層結(jié)構(gòu)電池設(shè)計的關(guān)鍵，保證各個子電池之間的歐姆接觸，從而得到高的轉(zhuǎn)換效率。(a) (b)(c) (d)圖1-1 有機太陽能電池結(jié)構(gòu)1.3 有機太陽能電池工作原理有機太陽能電池的基本原理是光生伏特效應(yīng)。器件的活性層吸收光,并通過光電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電能。有機異質(zhì)結(jié)的活性層通常是由N型(電子傳輸有利)和P型(空穴傳輸有利)兩種不同類型的導電材料組成

11、的。當能量大于禁帶寬度的光入射到太陽能電池器件上時,器件的活性層材料會吸收入射光,入射的光子會激發(fā)產(chǎn)生不平衡的電子-空穴對, 即激子，如圖1-2(a)。激子在薄膜內(nèi)會進行自由擴散。當激子擴散至異質(zhì)結(jié)處時,由于內(nèi)建電場的作用,激子發(fā)生解離,P型材料的電子進入到N型材料,N型材料的空穴進入到P型材料，如圖1-2(b)。P型材料積累的空穴和N型材料積累的電子產(chǎn)生了由P型材料指向N型材料的電場,這個電場的方向與內(nèi)建電場的方向相反,在平衡時場強與內(nèi)建電場相等,這就是光生伏特效應(yīng)。在生成載流子之后,電子和空穴分別在N型材料和P型材料傳輸。最終分別在陰極和陽極進行收集，如圖1-2(c)。因此,有機太陽能電池

12、的工作過程可以總結(jié)為:1,光吸收;2,激子的產(chǎn)生;3,激子的擴散;4,激子解離成自由載流子;5,載流子傳輸;6,載流子復合；7，載流子的輸出。（a） （b） （c）圖1-21.4 有機太陽能電池器件特性1.4.1 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)指的是太陽能電池對某些波長的光有著不同的敏感，呈現(xiàn)的特點是，在光的照射下，電路的電流隨著不同的波長而發(fā)生改變，并能給出最大的電流，具有最大的響應(yīng)值。光譜響應(yīng)的曲線一般是由太陽能電池的結(jié)構(gòu)、活性材料 以及電極材料等決定的。光譜響應(yīng)的曲線被稱為量子效率曲線，其又可以分為外量子效率曲線和內(nèi)量子曲線。從量子效率曲線上可以了解界面以及各組成半導體面對載流子的提取能力的大小，從而

13、對太陽能電池的界面進行優(yōu)化，進而提高太陽能電池的性能，最終提高太陽能的轉(zhuǎn)化效率。外量子效率指的是入射的光字數(shù)和產(chǎn)生的電子數(shù)的比值就，即是入射到電池上的每一個光子產(chǎn)生的少數(shù)載流子或者是空穴電子對的數(shù)目?？梢杂霉奖硎緸?（1-1）入射光源一定，Isc的大小和EQE有關(guān)，其中是入射光子的波長，Isc是器件的光電流，Pin模擬光的入射功率。內(nèi)量子效率指的是太陽能電池吸收的光子和產(chǎn)生的光子的比值，即在太陽能電池中吸收的每一個光子產(chǎn)生的載流子或者是空穴電子對的數(shù)目。對于不同的材料入射的光子的數(shù)目是不同的，同種材料而言入射的光子也不一定能被全部的吸收，產(chǎn)生的電子也不一定全部產(chǎn)生電能，對于太陽能電池而言量子

14、效率高而能量轉(zhuǎn)換效率低。1.4.2 開路電壓當太陽能電池在開路的情況下，被分離的載流子將會在p-n結(jié)界面大量的街壘，在一定的程度上補償了接觸電動勢，這是產(chǎn)生的光生電動勢被稱為開路電壓。且Rsh=的時候，開路電壓為。對于有機太陽能電池的開路電壓VOC也受到其它因素的影響，如有機半導體的材料 ，有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)，供體材料的濃度等。主要影響的是體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池的開路電壓則是由供體材料的HOMO和受體材料的LUMO決定的。對于給體和PCBM 體系的有機太陽能電池的開路電壓VOC可以用下式表示： （1-2）其中e是電子電荷量，指的是給體的HOMO能級和PCBM的LUMO的能級。1.4.3. 短

15、路電流太陽能電池在短路的情況下的電流稱為短路電流.在理想的情況下有機太陽能電池的短路電流是由有機半導體內(nèi)的光誘導載流子密度和在粒子遷移率決定的?？梢杂孟率奖硎荆浩渲衝是載流子的密度，e是電子的電荷量，指的是載流子的遷移率，E是電場大小。假設(shè)若在體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中光激發(fā)產(chǎn)生的電子的效應(yīng)為100%，那么n指的是單位體積內(nèi)的吸收的光子數(shù)目。1.4.4 最大輸出功率當太陽能電池兩端接上負載時，負載中就會有電流通過，電流被稱為太陽能電池的工作電流或稱為負載電流或者是輸出電流。負載兩端的電壓稱為工作電壓。若用負載的最大的輸出電壓和最大的輸出電流的乘積最大就可以得到最大的輸出功率，最大工作電壓用Umax表

16、示，最大工作電流用Imax表示，最大輸出功率用Pmax表示。在伏安曲線上Umax， Imax，Pmax 表示如圖1-3。圖1-3 太陽能電池的伏安曲線ISC短路電流；VOC開路電壓；Imax最大工作電流；Vmax最大工作電流；Pmax最大工作功率1.4.5 填充因子填充因子是太陽能電池的另外一個重要的參數(shù)，指的是最大工作功率與開路電壓和短路電流乘積的比值，用公式表示為 （1-3）其中Imax是最大工作電流，Vmax是最大工作電壓，Isc是短路電流，Vov是開路電壓。一般而言填充因數(shù)越高，伏安曲線越趨近于矩形，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率越高。1.4.6 功率轉(zhuǎn)化效率太陽能電池的功率轉(zhuǎn)化效率指的是太

17、陽能電池的最大輸出功率與入射到太陽能電池表面的太陽光能量的比值，用公式表示為 （1-5）其中FF是填充因數(shù)，Isc是短路電流，Vov是開路電壓。2.幾種常見的有機太陽能電池封裝技術(shù)21 有機太陽能電池封裝技術(shù)的提出使用壽命和穩(wěn)定性是有機太陽能電池進入實用化生產(chǎn)必須解決的問題。有機太陽能電池容易受到空氣中水分和氧氣的影響，其性能快速衰減。對于器件的穩(wěn)定性的提高，封裝技術(shù)起決定性作用，沒有良好的封裝工藝，多好的電池也生產(chǎn)不出好的組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證，而且還增強了電池的抗擊強度。目前太陽能電池一般采用EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）作為封裝材料，這種封裝技術(shù)發(fā)展的比較成熟，且

18、能夠滿足太陽能電池封裝的基本要求，但是存在一些不足。人們在探究如何改進傳統(tǒng)的封裝方法的同時，又提出了和傳統(tǒng)工藝完全不同的封裝方法。2.2 幾種封裝技術(shù)的介紹22.1 EVA玻璃封裝采用EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）做封裝材料，成本較低。采用真空層封裝工藝，將太陽能電池片夾在兩層熱熔性EVA膠膜中間，通過真空熱層壓使EVA膠膜將電池片，地鐵鋼化玻璃正面改版和聚氟乙烯復合膜背板黏合為一體，周邊用率和件邊框固定如圖2-1(a)。除此還有采用雙面玻璃封裝的太陽電池組件如圖2-1(b)。 (a) (b)現(xiàn)有的EVA玻璃封裝工藝已基本能滿足工業(yè)化的需求，恩能夠偶進行大規(guī)模的生產(chǎn)。但是，也存在著缺陷，工藝復

19、雜，成本較高，成產(chǎn)效率低，并且EVA膜的抗老化性能較差，使用過程中亦老化，降低了太陽能電池的使用壽命和光電轉(zhuǎn)換效率。并且，這種工藝對玻璃的要求也很高，若玻璃表面不干凈，透光率就會降低，損失了光電轉(zhuǎn)換效率。另外，這種封裝的太陽能電池維修困難運輸不便。這些不足都影響著太陽能電池的進一步發(fā)展和使用。2.2.2 蓋板和背板材料的改進一方面可以通過鍍減反射膜降低玻璃的反射率，從而提高光伏組件的輸出功率（大約提高3%4%8）.制作減反射膜的方法有很多種，例如真空沉積法，浸蝕法，高溫燒結(jié)法，溶膠凝膠法但是目前報道效果比較好的就是由丹麥Snarc technology A/S開發(fā)的一種減反射膜技術(shù)9。另一方面

20、就是提高玻璃的強度，減少玻璃的厚度，減輕組件的質(zhì)量。另外就是研究蓋板玻璃的替代材料。目前見到的替代材料有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。在柔性電池封裝方面，常見到的改版材料有ETFE（乙烯四伏乙烯共聚物），F(xiàn)EP（四氟乙烯六氟丙烯共聚物）等。這些材料的缺點是不能長期保持高的透過率和低的水汽透過率。太陽電池的背板材料除了TPT以外，常用的還有TPE，其他的還有PVF/AL/PVF和PVF/AL/PET/PVF結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在還有很對共走是利用濺射法和化學氣相沉積等技術(shù)在PET上鍍一層或多層阻隔膜層，降低水汽透過率，制作新型背板材料1011。

21、另外，還可以通過改變蓋板和背板材料來使組件呈現(xiàn)不同的顏色。首先，使用彩色背面材料，這在一定程度上能改變組建的外觀；其次，使用熒光染色技術(shù)，在正面玻璃上鍍一層FCA（熒光染色劑12），或者會接將正面玻璃改成熒光板13,利用這些技術(shù)可以使組件呈現(xiàn)多種顏色，同時效率會明顯降低。2.2.3 封裝用粘合劑的改進1.丙烯類熱塑性樹脂組合物為解決上述問題,保谷裕等人14發(fā)明了一種在非交聯(lián)狀態(tài)下具有良好機械強度、密封性、透明性、耐候性的太陽能電池密封片材的熱塑性樹脂組合物。 該熱塑性樹脂由丙烯類聚合物和丙烯類共聚物構(gòu)成,其中丙烯類共聚物為丙烯與至少一種除丙烯之外的碳原子數(shù)為220 的2烯烴形成的共聚物。 為了

22、提高熱塑性樹脂組合物層與含有具有極性基團樹脂、含有50 %以上金屬及玻璃上無機化合物等其它層的粘合性,在封裝時,還應(yīng)使用諸如硅烷類的偶聯(lián)劑。采用該熱塑性樹脂,在一定程度上縮短了層壓時間,提高了太陽能電池的生產(chǎn)效率。2.乙烯-(甲基) 丙烯酸酯類由于EVA 的吸濕性較高,水分會導致密封材料層的絕緣性下降。另外,在增加熱量、紫外線、吸濕量等特定條件下, EVA 會產(chǎn)生極微量的乙酸,有可能會腐蝕電極或母線等而使發(fā)電效率降低。近年來,西島孝一等人15以乙烯2(甲基) 丙烯酸酯共聚物為原料,添加特定的有機過氧化物并按一定的比例加入交聯(lián)助劑,能夠得到性能很好的密封材料。2.2.4 用透明樹脂替代玻璃封裝在

23、真空條件下，作為導線的鎢絲通過針孔穿過玻璃安瓿的玻璃封裝方法是一種繁瑣的封裝技術(shù)。盡管完整玻璃封裝的工作性能好，這種玻璃封裝方法操作復雜，容易出現(xiàn)操作失誤。為克服玻璃封裝帶來的各種缺陷，人們大力開發(fā)了新型太陽恩能夠電池封裝技術(shù)，提出輕質(zhì)，透明，低折射率的各種透明樹脂版替代玻璃。但是普通的透明樹脂耐候性差，耐試劑性，耐污染性較差。氟樹脂基于分子內(nèi)的C-F鍵的高能量和低極化率，地折射率，耐試劑性，防水防油性，耐污染性，被應(yīng)用于各種用途，由于氟系膜的機械強度較低，勇氣作為封裝材料，會使太陽能電池組件的機械強度降低，太陽能電池元件已損壞，因此，將透明樹脂和含氟樹脂配合使用，可生產(chǎn)出高耐水解性，透明性，

24、耐候性和輕量化，且機械強度高的密封膜。宮治新一郎等人16采用機械特性和加工性優(yōu)異的廉價聚酯膜為基材,在此基材上附上一層由金屬、金屬氧化物或無機化合物中的至少一種構(gòu)成的膜,制成太陽能電池組件用的復合密封膜.聚酯聚合物以芳香族二羧酸、脂肪族二羧酸或脂肪族二羧酸和二醇作為主要組分,其中所合成的聚對苯二甲酸乙二醇的雙拉伸膜和聚-2,6-萘二甲酸乙二醇酯的雙軸拉伸膜的性能最好。長門大等人17采用聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯,丙烯酸樹脂、聚乙烯等透明樹脂作為密封膜的基材。其中聚碳酸酯的透明性優(yōu)異,透光率達90%以上,且硬度等機械性能良好,但耐擦傷性、耐候性較差,可涂布固化性氟樹脂組合物提高其性能.固化性

25、氟樹脂由氟樹脂和固化劑組成。其中氟樹脂是由具有氟代烯烴單元、乙烯醚單元和具有固化部位的單體單元的共聚物或具有氟代烯烴單元、乙烯酯單元和具有固化部位單體單元的共聚物。固化劑則采用異氰酸酯系或氨基樹脂系固化劑。太陽能電池密封膜是厚度為100m的聚碳酸酯,并在其上涂布干燥后膜厚為50m的氟樹脂組合物.在透明樹脂上涂布一層含氟樹脂,不僅能保證密封膜具有較高的機械強度和透光率,而且還具有很好的耐濕、耐候和耐久性,能夠滿足太陽能電池封裝的要求。同時,該密封膜較薄且柔軟,可做成重量輕的太陽能電池組件,也使得太陽能電池的維修變得簡便,極大地拓寬了其應(yīng)用范圍。這種封裝的不足之處是，由于透明樹脂和含氟樹脂是分別涂

26、布在元件表面的,使封裝工藝較繁瑣,疊成界面容易剝離。在光敏材料上旋涂ZnO溶液，隨后滴下UV樹脂溶液處理的封裝方法18被報道過，UV樹脂溶液由丙酮和UV樹脂組成，對人的皮膚和眼睛有刺激性。并且為了使封裝層有一定的厚度，UV樹脂需要重復幾次涂覆。2.2.5 其他封裝方法1.無機薄膜封裝無機薄膜封裝常采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)和原子層沉積(ALD)的方法，硅、氧化硅和氮化硅等無機薄膜常用PECVD沉積，薄氧化鋅、氧化鈦和氧化鋁層等常用ALD沉積。而無機薄膜需要達到足夠高的勢壘才能對有機光電子器件起到封裝作用，由于無機薄膜有著不可避免的缺陷，無機薄膜需要和聚合物薄膜交替形成多層薄膜的

27、堆積。2.半固化片封裝 半固化片是目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)屬于覆銅板和多層印制線路板必不可少的半成品。其主要構(gòu)成是由增強材料，包括玻璃纖維布，無紡布或木漿紙等，經(jīng)熟化混合樹脂浸潤和烘干而成。由于半固化片的樹脂呈半固化狀態(tài)，在高溫下，樹脂可以重新熔融粘合并完全固化，這種特性常用語光伏器件的封裝。采用玻璃襯底和鋁電極板組裝的器件可用玻璃纖維熱固性環(huán)氧樹脂（半固化片）封裝，需要在封裝器件上方放置鉛塊形成機械壓力，并且需要熱固化12小時，這種半固化片封裝技術(shù)不能有效的應(yīng)用到柔性器件。3.一種封口膜封裝新方法3.1 封口膜封裝摻雜小分子材料的三元有機太陽能電池我們基于聚合物太陽能電池報道了使用封口膜封裝的新方法。近

28、年來有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率雖然獲得了突破性的進展（10%），但是離有機太陽能電池的商業(yè)化還有一定的距離。眾所周知，有機半導體材料較窄的吸收光譜是限制其電池性能的主要因素。為了克服這一限制，研究者們在各個方面采用不同的方法對其進行研究。例如，設(shè)計與合成新型的，潛力高的低帶隙共軛聚合物能夠擴寬材料對光的吸收范圍，提高光子捕獲19?；蛘撸梦展庾V互補的聚合物構(gòu)成疊層太陽能電池20。疊層太陽能電池能夠收集與聚合物帶隙共振的光子，使熱化損失降到最低。然而制備多層堆疊的太陽能電池面臨著一系列的挑戰(zhàn)，如，制備強健的中間層，耦合吸收互補的聚合物和控制各個子電池有源層的厚度等。前文提到的三元有機太陽能電

29、池不失為擴展吸收光譜的簡單而有效的方法。三元有機太陽能電池是介于二元太陽能電池和疊層太陽能電池之間的一種器件結(jié)構(gòu)。通過合理的設(shè)計，在主體系中引入適當?shù)谌N材料，有源層的能級和吸收光譜能夠得到調(diào)節(jié)，如圖3-2。能級的調(diào)節(jié)有助于提升有機太陽能電池的開路電壓，進而提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同樣，有源層吸收光譜的擴展能夠增大其對太陽光子的捕獲，提升短路電流。和疊層電池相比，三元有機太陽能電池具有簡單的制備工藝，較高的成品率和豐富的優(yōu)化手段。圖3-2 三元有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖，兩種材料的吸收光譜互補2,4-雙4-(氮,氮-二異丁烯)-2,6-二羥苯基 方酸 (DIB-SQ)具有高載流子遷移率，高吸光系數(shù)

30、，寬光譜響應(yīng)范圍，易提純，批次穩(wěn)定性好等優(yōu)點21-23。DIB-SQ作為第二給體材料摻聚合物聚三已基噻吩 (P3HT):富勒烯衍生物 (PC71BM)中體系中能夠補償P3HT對較低能量光子的捕獲，提升短路電流和器件效率。所以，基于用P3HT: P3HT:DIB-SQ:PC71BM體系的三元有機太陽能電池具有較大的研究價值。制備好的聚合物太陽能電池使用封口膜熱處理的方法進行封裝。3.2 封口膜封裝實驗1. 清洗玻璃襯底分別用清洗劑、酒精和去離子水在超聲波清洗器中連續(xù)清洗氧化銦錫（ITO）玻璃襯底（薄膜電阻15），用氮氣吹干。為了進一步清洗襯底以及提高ITO的功函數(shù)，紫外臭氧處理ITO襯底10分鐘

31、。2. 旋涂PEDOT:PSS，有源層，Al電極超薄層聚二氧乙基噻吩：聚對苯乙烯磺酸 (PEDOT:PSS) 以5000 rpm的轉(zhuǎn)速在ITO襯底上進行40s旋涂。在120的室內(nèi)環(huán)境下對旋涂了PEDOT:PSS的ITO襯底進行10分鐘的干燥處理。聚合物P3HT 和富勒烯 PC71BM以1:0.8的質(zhì)量比溶入鄰二氯苯中（36 mg/ml）。DIB-SQ以1.2wt%的質(zhì)量比摻入P3HT:PC71BM的溶液中。以600 rpm的轉(zhuǎn)速在PEDOT:PSS上旋涂該混合溶液作為有源層。在10-4 Pa的真空環(huán)境下沉積修飾層1nm LiF，在修飾層上沉積大約100 nm的鋁電極。ITO和鋁電極的重疊區(qū)域為

32、有效面積，大約3.8 mm2。3.封口膜封裝用對封口膜進行熱處理的方法對準備好的聚合物太陽能電池進行封裝。封口膜（購買于Pechiney Plastic Packaging Company）是一種塑料薄膜。封口膜在大約70時會變的柔軟并且有粘性，所以在熱退火的過程中就可以完成聚合物太陽能電池的封裝過程。準備好的封口膜平放在覆蓋有源層的鋁電極上方。在充滿氮氣的手套箱內(nèi)，對所有的聚合物太陽能電池進行10分鐘120的退火。待器件冷卻到室溫時，封口膜自發(fā)的與器件緊密的貼在一起，封口膜和鋁電極交疊區(qū)域失去了鋁的光澤，如圖3-3（c）所示。為了器件的壽命測量，所有的器件存放在室溫暗環(huán)境下的培養(yǎng)皿中。薄膜的

33、吸收光譜用日本島津公司的UV-3101 PC分光儀測試，電流電壓（I-V）特性使用吉時利4200半導體特性分析系統(tǒng)和ABET Sun 2000 太陽能模擬器。使用材料的化學結(jié)構(gòu)、聚合物太陽能電池的示意圖以及制備的封裝、未封裝器件實物圖如圖3-3所示。圖3-3. (a) 有機材料 P3HT, PC71BM and DIB-SQ的結(jié)構(gòu)圖；(b) 聚合物太陽能電池的示意圖； (c，d) 封裝機未封裝聚合物太陽能電池的實物圖。3.3 實驗結(jié)果與討論P3HT, PC71BM, DIB-SQ以及它們混合薄膜的吸收光譜如圖3-4所示。小分子材料DIB-SQ的吸收峰在690 nm，與最高分子占據(jù)軌道(HOMO

34、)和最低分子占據(jù)軌道(LUMO)之間的帶隙一致。聚合物P3HT有從400 nm 到650 nm很寬的吸收光譜范圍，吸收峰在520 nm和610 nm。DIB-SQ和P3HT的吸收光譜有很強的互補性。三元混合薄膜的吸收光譜從可見光區(qū)域擴展到紅外區(qū)域。PC71BM材料有很寬的吸收范圍，并且在375 nm and 480 nm處有明顯的吸收峰，可以吸收更多的光子來提高聚合物太陽能電池的性能。DIB-SQ的摻雜應(yīng)該使三元混合薄膜中的光子收集和電荷載流子傳輸相平衡。根據(jù)我們的實驗經(jīng)驗，DIB-SQ的最佳摻雜濃度是1.2%。圖3-4. P3HT, PC71BM, DIB-SQ和P3HT:DIB-SQ:PC

35、71BM 薄膜的歸一化吸收光譜。圖3-5.在AM 1.5 G, 100 mW/cm2 的光照下封裝/未封裝的二元聚合物太陽能電池和三元聚合物太陽能電池的初始J-V特性。表3-1. 在AM 1.5 G, 100 mW/cm2 的光照下封裝/未封裝的二元聚合物太陽能電池和三元PSCs的關(guān)鍵光伏參數(shù).Active layer 封裝/未封裝的二元聚合物太陽能電池和三元聚合物太陽能電池的初始J-V特性如圖3-5所示。在表3-1中總結(jié)出封裝/未封裝的二元聚合物太陽能電池和三元聚合物太陽能電池的關(guān)鍵光伏參數(shù)。我們可以很明顯的看出封裝器件比未封裝器件的PCE要好。聚合物太陽能電池的性能是從充滿氮氣的手套箱中取

36、出后測量的，可能由于封口膜有效阻止了空氣對Al電極的影響導致了封裝聚合物太陽能電池PCE的提高。同時，摻雜DIB-SQ的器件封裝后的PCE從2.54% 提高到 2.93%。為了進一步證實封口膜封裝對聚合物太陽能電池穩(wěn)定性的影響，我們測得了經(jīng)過不同存儲時間之后的J-V曲線。封裝與未封裝聚合物太陽能電池相比性，封裝器件的性能明顯表現(xiàn)出了相對緩慢的衰減。三元聚合物太陽能電池經(jīng)不同存儲時間后的J-V曲線如圖3-6 a和b所示。圖3-6 封裝與未封裝三元聚合物太陽能電池隨著存貯時間變化的J-V特性。表3-2封裝與未封裝三元聚合物太陽能電池存儲期間器件的關(guān)鍵光伏參數(shù)。根據(jù)隨存儲時間變化的J-V曲線，我們在表3-2中總結(jié)出封裝與未封裝三元聚合物太陽能電池的關(guān)鍵光伏參數(shù)。封裝三元聚合物太陽能電池經(jīng)過168小時后短路電流