全文摘要
本实用新型涉及一种基于热致变色的半透明有机太阳能电池，该太阳能电池包括双功能层，设置于柔性热致变色衬底一侧，第一透明电极层，设置于双功能层上，聚合物PFN电子修饰层，设置于第一透明电极层上，聚合物有源层，设置于聚合物PFN电子修饰层上，第二透明电极层，设置于聚合物有源层上，其中，柔性热致变色衬底为柔性PET衬底与柔性热致变色薄膜的层叠结构。本实用新型将半透明有机太阳能电池与热致变色薄膜结合起来，实现了透明度可调以及光电转换效率可调的双重功能，并且其能够实现色温较低、高电导、高透过率以及与柔性热致变色薄膜匹配的优点。
主设计要求
1.一种基于热致变色的半透明有机太阳能电池，其特征在于，其包括，一柔性热致变色衬底；一双功能层，设置于所述柔性热致变色衬底一侧；一第一透明电极层，设置于所述双功能层上；一聚合物PFN电子修饰层，设置于所述第一透明电极层上；一聚合物有源层，设置于所述聚合物PFN电子修饰层上；一第二透明电极层，设置于所述聚合物有源层上。
设计方案
1.一种基于热致变色的半透明有机太阳能电池，其特征在于，其包括，
一柔性热致变色衬底；
一双功能层，设置于所述柔性热致变色衬底一侧；
一第一透明电极层，设置于所述双功能层上；
一聚合物PFN电子修饰层，设置于所述第一透明电极层上；
一聚合物有源层，设置于所述聚合物PFN电子修饰层上；
一第二透明电极层，设置于所述聚合物有源层上。
2.根据权利要求1的所述有机太阳能电池，其特征在于，所述柔性热致变色衬底为柔性PET衬底与柔性热致变色薄膜的层叠结构，所述柔性热致变色薄膜响应不同温度。
3.根据权利要求1或2的所述有机太阳能电池，其特征在于，所述双功能层为双功能聚合物层或无机氧化物层，所述双功能层的厚度为40～50nm。
4.根据权利要求3的所述有机太阳能电池，其特征在于，所述双功能聚合物层为双功能聚合物PFN层、PVK层或PFO层，所述无机氧化物层为三氧化钼。
5.根据权利要求1的所述有机太阳能电池，其特征在于，所述第二透明电极层为导电聚合物PEDOT:PSS。
6.根据权利要求1、2或4的所述有机太阳能电池，其特征在于，所述第二透明电极层的厚度为50～150nm。
7.根据权利要求2的所述有机太阳能电池，其特征在于，所述柔性热致变色薄膜包含质量比为0.5％的浅色有机可逆热致变色材料以及5％的深色有机可逆热致变色材料。
8.根据权利要求1、2或4的所述有机太阳能电池，其特征在于，所述第一透明电极层为超薄金属透明阴极，所述超薄金属透明阴极的厚度为8～15nm。
9.根据权利要求1、2或4的所述有机太阳能电池，其特征在于，所述聚合物有源层的厚度为80～100nm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及有机太阳能电池领域，尤其涉及一种基于热致变色的半透 明有机太阳能电池。
背景技术
近年来，随着科技的进步和人们生活水平的提高，太阳能电池的应用越来 越广泛。传统硅太阳能电池由于有源层较厚(2～4微米)，无法实现半透明，限 制其在半透明电池领域的应用。聚合物太阳能电池因为活性层厚度一般只有 100nm左右，使得其既可以实现太阳能发电又能透射太阳光，因此受到了研究 人员的广泛关注。因此，不同于传统的晶体硅太阳能电池，聚合物太阳能电池 可以实现半透明化是它的一大突出优点。通过降低半透明聚合物太阳能电池中 有源层的厚度以及使用透明导电阴极和阳极，使得半透明聚合物太阳能电池可 用于屋顶、墙面或者窗户等，进一步拓宽其应用范围。但是，半透明有机太阳 能电池的透明度无法根据外部条件变化，限制了其广泛使用。
通过热致变色调节透明度是一种改变透光率的有效方法。热致变色指某些 材料因受热发生物理变化(如脱掉结晶水、晶体结构互变、空间构型互变等)或 化学变化(分解、化合、氧化、还原等)导致分子结构、分子形态的变化，从而 导致外观上颜色变化的效应。具有这种效应的材料称为热致变色材料。
在半透明聚合物太阳能电池中引入热致变色光学结构，可以改变半透明有 机太阳能电池器件中有源层对某一波段范围内光子的俘获能力，完全不用开关 或者任何人工能源就能实现响应外部环境温度变化的全自动光电转换和光线透 过的显著优势，同时实现了颜色可调的特点。例如，加州大学伯克利分校杨培 东教授等人构建基于CsPbI 3-X<\/sub>Brx<\/sub>材料的热致变色钙钛矿太阳能电池，这种材料 可在105℃切换成深色的钙钛矿相(高温相)，透明度约为35％；在室温情况下， 当遇到水汽时，材料就会自动切换成透明的非钙钛矿相(低温相)。然而，高 达105℃的转变温度会影响实际的产业化应用，同时多次的水汽侵入可能会破 坏其原有结构。此外，含铅材料作为玻璃涂层带来的毒性问题需要得到解决。 此外，半透明聚合物太阳能电池中常用的透明导电电极是氧化铟锡(ITO)，然 而，ITO质脆，只适合应用在玻璃等硬质基底，不适合PET等柔性基底，无法 卷对卷连续印刷生产。
实用新型内容
针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的首要目的是提供 一种基于热致变色的半透明有机太阳能电池，针对该目的，本实用新 型至少提供如下技术方案：
一种基于热致变色的半透明有机太阳能电池，其包括，
一柔性热致变色衬底；
一双功能层，设置于所述柔性热致变色衬底一侧；
一第一透明电极层，设置于所述双功能层上；
一聚合物PFN电子修饰层，设置于所述第一透明电极层上；
一聚合物有源层，设置于所述聚合物PFN电子修饰层上；
一第二透明电极层，设置于所述聚合物有源层上。
进一步的，所述柔性热致变色衬底为柔性PET衬底与柔性热致变 色薄膜的层叠结构，所述柔性热致变色薄膜响应不同温度。
进一步的，所述双功能层为双功能聚合物层或无机氧化物层，所述双功能层 的厚度为40～50nm。
进一步的，所述双功能聚合物层为双功能聚合物PFN层、PVK层或PFO层， 所述无机氧化物层为三氧化钼。
进一步的，所述第二透明电极层为导电聚合物PEDOT:PSS。
进一步的，所述第二透明电极层的厚度为50～150nm。
进一步的，所述柔性热致变色薄膜包含质量比为0.5％的浅色有机可逆热致 变色材料以及5％的深色有机可逆热致变色材料。
进一步的，所述第一透明电极层为超薄金属透明阴极，所述超薄金属透明 阴极的厚度为8～15nm。
进一步的，所述聚合物有源层的厚度为80～100nm。
与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：
本实用新型将半透明有机太阳能电池与热致变色薄膜结合起来，实现了透 明度可调以及光电转换效率可调的双重功能，既可以通过感知外界环境温度的 高低，自发地改变颜色实现可调的可见光透过率，也可以同时产生相对稳定的 电能供负载使用，具有双重功能。并且本实用新型的太阳能电池具有颜色、透 明度可变、色温较低、高电导、高透过率以及与柔性热致变色薄膜匹配的优点， 可适用于大面积全柔性热致变色薄膜调控的有机太阳能电池，具有很好的应用 前景。
附图说明
图1为本实用新型基于热致变色的半透明有机太阳能电池器件结构示意图。
图2为不同柔性热致变色薄膜调控的半透明聚合物太阳能电池在AM1.5G 的标准太阳光源的J–V曲线。
图3为不同柔性热致变色薄膜调控的半透明聚合物太阳能电池在室温 (25℃)和加热(40℃)状态下的可见光波长范围的透过率光谱。
图4为不同双功能层电极的透过率光谱。
附图标记：1.柔性热致变色薄膜，2.柔性PET衬底，3.双功能层，4.第一透 明电极层，5.聚合物PFN电子修饰层，6.聚合物有源层，7.第二透明电极层。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
本发明的基于热致变色的半透明有机太阳能电池结构如图1所示，该结构 包括，柔性热致变色衬底，双功能层3设置于柔性热致变色衬底的一侧，第一 透明电极层4设置于双功能层3上，聚合物PFN电子修饰层5设置于第一透明 电极层4上，聚合物有源层6设置于聚合物PFN电子修饰层5上，第二透明电 极层7设置于聚合物有源层6上。在一些实施例中，双功能层3可以是双功能 聚合物层或无机氧化物层，双功能聚合物层可以是双功能聚合物PFN层、PVK 层或PFO层，该层聚合物也可用其它合适的聚合物。无机氧化物层可以是三氧化钼或其它合适的无机氧化物。
柔性热致变色衬底可以是柔性热致变色薄膜1与柔性PET衬底2的层叠结 构，在该实施例中，在柔性PET衬底2的一侧设置柔性热致变色薄膜1，双功 能层3设置于PET衬底2的另一侧。在另一实施例中，在柔性PET衬底2的一 侧设置柔性热致变色薄膜1，双功能层3设置在柔性热致变色薄膜1上。
柔性透明衬底的预处理：柔性PET衬底2在层叠柔性热致变色薄膜之前， 将柔性PET依次放置于异丙醇和去离子水中分别超声清洗20分钟，然后用干 燥的氮气吹干，最后采用紫外\/等离子体处理5分钟，以清除表面可能存在的污 染物。
柔性热致变色薄膜1是在PDMS溶液中掺入质量比为0.5％的浅色有机可逆 热致变色材料以及质量比为5％的深色有机可逆热致变色材料所得。有机可逆 热致变色材料为苯酞类。在该实施例中，浅色有机可逆热致变色材料可以是Type-1(浅蓝色)或者Type-2(浅红色)，深色有机可逆热致变色材料可以是 Type-3(深蓝色)、Type-4(深红色)。
通过在PDMS中掺入不同比例和类型的热致变色材料，构建对不同波长范 围高反射的柔性热致变色薄膜。采用旋涂或压印的方式将柔性热致变色薄膜1 设置于柔性PET衬底2的表面。从而使得柔性热致变色薄膜响应不同温度。
双功能层3设置在柔性热致变色衬底的一侧，双功能层3的厚度为 40～50nm，该实施例中，双功能层3为双功能聚合物PFN层。使用匀胶机在柔 性热致变色薄膜1的表面或者在柔性PET衬底2的另一面旋涂聚合物溶液，该 聚合物溶液是包含有PFN的溶液。在其他实施例中，使用溶液法在柔性热致变 色薄膜1的表面或在柔性PET衬底2的另一面旋涂双功能聚合物PVK层，厚度 为40～50nm。在一些实施例中，采用真空热蒸发沉积法在柔性热致变色薄膜1 的表面或在柔性PET衬底2的另一面沉积三氧化钼，沉积厚度为40～50nm。
聚合物溶液的配置：PFN使用无水甲醇溶解，在甲醇溶液中添加体积比为 3‰的无水醋酸增加PFN的溶解性，配制浓度为1mg\/ml的PFN溶液。控制旋 涂厚度约为40nm的PFN功能层之后，对已旋涂覆盖有PFN的PET衬底进行功 率为300～500W的紫外\/氧等离子体处理约3～5分钟，以利于后续制备第一透 明电极层4，形成金属互穿连接网络结构，进而提高薄膜的导电率，同时，等 离子处理还能减少金属粒子的等离子增强吸收，提高整个薄膜的透光率。最终 获得表面附有双功能聚合物PFN层的柔性基底，该双功能聚合物PFN层具有种子层以及光学间隔层的双重功能。
第一透明电极层4设置在双功能聚合物PFN层上，第一透明电极层可以是 Ag电极，第一透明电极层4的厚度是8～15nm。该实施例中，将该柔性基底放 置在真空镀膜机中，在真空度5×10 -5<\/sup>Pa的条件下，在双功能聚合物PFN层的 表面沉积约12nm厚的Ag电极，以获得柔性透明阴极电极衬底。
聚合物PFN电子修饰层5设置在第一透明电极层4上，具体的，使用匀胶 机将上述配置的聚合物溶液旋涂在第一透明电极层4的表面，控制聚合物PFN 电子修饰层5的厚度约为5nm，获得表面覆盖有聚合物PFN电子修饰层5的第 一透明柔性导电基板。
聚合物有源层6设置在聚合物PFN电子修饰层5上，聚合物有源层6的厚 度为80～100nm。该实施例中，取PTB7:PCBM[70]:ICBA的质量比为1:1.5:0.25混 合，溶解在添加有0.3％的DIO(1,8-二碘辛烷)添加剂的溶剂CB(氯苯)及CN (氯萘)中形成溶液，其中CB:DIO:CN三者的体积比为94:3:3，PTB7、 PCBM[70]及ICBA在上述溶液中的浓度为25mg\/ml，并在加热台上以60℃加热 12个小时。将加热后的混合溶液旋涂在聚合物PFN电子修饰层5上。然后将 表面覆盖有聚合物有源层6的透明导电基板放置在5×10 -4<\/sup>Pa以下的高真空环 境下干燥3～5小时，该实施例中优选干燥3小时，从而获得厚度为80～95nm的 聚合物有源层6。
第二透明电极层7设置在聚合物有源层6上，第二透明电极层7的厚度为 8～15nm，第二透明电极层7为导电聚合物PEDOT:PSS。在PEDOT:PSS溶液中加 入0.5％表面活性剂溶液(FS–30)和5％的二甲基亚砜(DMSO)。并在有源层上 旋涂该溶液，然后在加热台上以50℃加热30s蒸发掉薄膜表面残余的水分，从 而形成第二透明电极层7。
表1
表1为半透明聚合物太阳能电池无热致变色薄膜、有热致变色薄膜的器件 在AM1.5G的标准太阳光源的特征参数比较。其中，None为不搭配柔性热致变 色薄膜的半透明聚合物太阳能电池，其结构为PET\/PFN\/Ag\/PFN\/ PTB7:PCBM[70]:ICBA\/PEDOT:PSS，Sample1-4为本发明的基于热致变色的半透明 有机太阳能电池，其对应的柔性热致变色薄膜的温度响应不同。Sample1的结 构为Type-1\/PET\/PFN\/Ag\/PFN\/PTB7:PCBM[70]:ICBA\/PEDOT:PSS，Sample2的结构 为Type-2\/PET\/PFN\/Ag\/PFN\/PTB7:PCBM[70]:ICBA\/PEDOT:PSS，Sample3的结构为 Type-3\/PET\/PFN\/Ag\/PFN\/PTB7:PCBM[70]:ICBA\/PEDOT:PSS，Sample4的结构为 Type-4\/PET\/PFN\/Ag\/PFN\/PTB7:PCBM[70]:ICBA\/PEDOT:PSS。
图2是基于不同电极的半透明聚合物太阳能电池在AM1.5G标准模拟太阳 光下的J–V曲线。图3为不同柔性热致变色薄膜调控的半透明聚合物太阳能电 池在室温(25℃)和加热(40℃)状态下的可见光波长范围的透过率光谱。由 J–V曲线得到的各项光电参数数值(包括J SC<\/sub>、VOC<\/sub>、FF和PCE等)在表1中一一 列举。对比不使用柔性热致变色薄膜的半透明聚合物太阳能电池器件，在V OC<\/sub>和FF保持不变的条件下，柔性热致变色薄膜的使用改善了电池器件内部的光 电池分布，在室温条件下，器件Sample 1、Sample 2、Sample 3和Sample 4的J SC<\/sub>分别提高了20.8％、22.1％、28.0％和28.2％。最终，相比于不搭配柔性热致 变色薄膜的半透明聚合物太阳能电池4.12％的光电转换效率和31.04％的可见光 光谱范围平均透过率，器件Sample 1、Sample 2、Sample 3和Sample 4的光电 转换效率分别提高到了4.88％、4.97％、5.29％和5.33％，对应的透过率为 21.42％、19.02％、10.02％和4.87％。在40℃时，热致变色薄膜响应了外部温度 刺激改变了颜色和透过率，器件的J SC<\/sub>和光电转换效率和透过率均得到不同的变 化，相比于不搭配柔性热致变色薄膜的半透明聚合物太阳能电池器件，Sample 1、Sample 2、Sample 3和Sample 4的光电效率分别提高到了4.64％、4.44％、5.14％和5.25％，对应的透过率为28.04％、29.45％、14.48％和11.79％。由此可 见本发明制备的太阳能电池具有高电导、高透过率以及与柔性热致变色薄膜匹 配的优点。图4是基于不同双功能层的透过率光谱曲线，由该透过率光谱曲线 可知，相对于单层银电极可见光范围较低的平均光透过率(32.91％)，采用三 氧化钼层作双功能层但未进行紫外\/臭氧等离子体处理，其光透过率仍有一定的 提高(36.32％vs.32.91％)。进一步的，对三氧化钼层进行紫外\/臭氧等离子体 处理后，光透过率有效提高为51.53％。同样地，对于聚合物PVK有着类似的优 化效果，未经等离子体处理的PVK\/Ag电极的透过率为37.06％，处理后的电极透过率提高到51.53％。紫外\/臭氧等离子体处理同样对电极的导电率有优化效 果，相对于单层银电极的高方阻，未经处理的双功能层\/Ag双功能层电极的方 阻大大降低，进一步等离子处理后，MoO 3<\/sub>\/Ag电极的方阻显著降低为28.36Ω\/ □，PVK\/Ag电极的方阻显著降低为28.16Ω\/□。因此，经紫外\/臭氧等离子体 处理的双功能层实现了金属电极在光学和电学两方面的提升。本发明所提供的 制备方法可大面积制备全柔性热致变色薄膜调控的有机太阳能电池，具有很好 的应用前景。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的 限定。本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明 的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置 换方式，都包含在本发明的保护范围之内。这里无需也无法对所有的实施方式 予以穷举(诸如更换不同的活性层，或器件直接制备在柔性热致变色薄膜上)， 而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920093367.0
申请日:2019-01-21
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:81(广州)
授权编号:CN209658235U
授权时间:20191119
主分类号:H01L 51/00
专利分类号:H01L51/00;H01L51/42;H01L51/48
范畴分类:38F;
申请人:暨南大学
第一申请人:暨南大学
申请人地址:510632 广东省广州市天河区黄埔大道西601号
发明人:侯林涛;郑文浩;罗旭豪;蒋豫蓬
第一发明人:侯林涛
当前权利人:暨南大学
代理人:陈燕娴
代理机构:44245
代理机构编号:广州市华学知识产权代理有限公司 44245
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计