本發(fā)明屬于光電
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體地，涉及一種圖案化的組合太陽能電池及其彩色太陽能電池模塊。
背景技術(shù)：
：近年來，為解決能源危機(jī)和環(huán)境問題，新能源的開發(fā)和利用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在各種綠色清潔能源技術(shù)中，可實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)的光伏技術(shù)無疑是最具有前景的方向之一。太陽能電池在實(shí)現(xiàn)它的基礎(chǔ)發(fā)電功能的同時(shí)，也被人們應(yīng)用到各個(gè)新的領(lǐng)域。其中，彩色太陽能電池不僅能適應(yīng)美觀的需要，還提高了人們的購買意愿，增加了產(chǎn)品的市場競爭力，從而在光伏建筑一體化、可穿戴設(shè)備、彩色的玻璃和墻面以及衣物方面有更大的應(yīng)用潛力。由于對環(huán)境以及視覺上的美觀需求，圖案化的彩色太陽能電池應(yīng)運(yùn)而生。然而，現(xiàn)有技術(shù)的圖案化彩色太陽能電池需要通過鍍膜，形成不同顏色的彩色圖案，色彩調(diào)制膜本身會(huì)影響太陽能電池的光伏性能，從而導(dǎo)致圖案化的太陽能電池效率偏低；或者通過激光刻蝕或絲網(wǎng)印刷形成圖案，這不僅需要較為精密的設(shè)備，對技術(shù)要求高，同時(shí)形成的圖案往往只有雙色圖案，顏色較為單一。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種圖案化的組合太陽能電池及其彩色太陽能電池模塊，該彩色太陽能電池模塊以PEDOT:PSS薄膜作為陽極層，結(jié)合使用不同的陽極界面層，使太陽能電池呈現(xiàn)不同的顏色，從而解決圖案化的組合太陽能電池顏色單一的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種圖案化的組合太陽能電池，所述組合太陽能電池由多個(gè)彩色太陽能電池模塊串聯(lián)而成，所述多個(gè)彩色太陽能電池模塊包括顏色各不相同的第一彩色太陽能電池模塊、第二彩色太陽能電池模塊、……、以及第N彩色太陽能電池模塊，N≥3；所述每個(gè)彩色太陽能電池模塊包括從底層至頂層依次設(shè)置的陰極層、光活性層以及陽極層，所述陽極層的厚度為5nm～500nm，所述陽極層由層數(shù)為1層～100層的PEDOT:PSS薄膜組成；在所述第一彩色太陽能電池模塊至第N彩色太陽能電池模塊中，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或?qū)訑?shù)不同。優(yōu)選地，所述陽極層的厚度為30nm～192nm，所述PEDOT:PSS薄膜的層數(shù)為1層～4層。優(yōu)選地，所述陰極層與光活性層之間，和/或所述陽極層與光活性層之間，還包括界面層，所述界面層用于實(shí)現(xiàn)陰極層與光活性層之間的電子傳輸，或者實(shí)現(xiàn)陽極層與光活性層之間的空穴傳輸。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述界面層為陽極界面層，所述界面層位于所述陽極層與光活性層之間，用于實(shí)現(xiàn)陽極層與光活性層之間的空穴傳輸。作為更進(jìn)一步優(yōu)選地，在所述第一彩色太陽能電池模塊至第N彩色太陽能電池模塊中，所述陽極界面層的材料相同，所述PEDOT:PSS薄膜的厚度或?qū)訑?shù)依次遞增。按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種用于上述圖案化的組合太陽能電池的彩色太陽能電池模塊，所述彩色太陽能電池模塊包括從底層至頂層依次設(shè)置的陰極層、光活性層以及陽極層，所述陽極層的厚度為5nm～500nm，所述陽極層由層數(shù)為1層～100層的PEDOT:PSS薄膜組成。優(yōu)選地，所述陽極層的厚度為30nm～192nm，所述PEDOT:PSS薄膜的層數(shù)為1層～4層。優(yōu)選地，所述陽極層的電導(dǎo)率為500S/cm～4000S/cm。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述陽極層的電導(dǎo)率為500S/cm～1000S/cm。優(yōu)選地，所述陰極層的厚度為5nm～1μm，所述陰極層的材料為納米銦錫、氟摻雜錫氧化物、銀或鈦。優(yōu)選地，所述彩色太陽能電池模塊還包括界面層，所述界面層設(shè)置于所述陰極層與光活性層之間，和/或所述陽極層與光活性層之間。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述界面層為陰極界面層，所述界面層位于所述陰極層與光活性層之間，用于實(shí)現(xiàn)陰極層與光活性層之間的電子傳輸。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述界面層為陽極界面層，所述界面層位于所述陽極層與光活性層之間，用于實(shí)現(xiàn)陽極層與光活性層之間的空穴傳輸。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述界面層的厚度為5nm～200nm，材料為金屬氧化物、石墨烯、石墨烯衍生物或有機(jī)半導(dǎo)體。作為更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述界面層的厚度為5nm～50nm，材料為金屬氧化物。優(yōu)選地，所述光活性層為有機(jī)半導(dǎo)體吸光層或無機(jī)半導(dǎo)體吸光層。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述彩色太陽能電池模塊為聚合物太陽能電池，所述有機(jī)半導(dǎo)體吸光層的厚度為50nm～500nm，其材料為有機(jī)共軛聚合物或小分子。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述彩色太陽能電池模塊為鈣鈦礦太陽能電池，所述無機(jī)半導(dǎo)體吸光層的厚度為200nm～500nm，其材料為鈣鈦礦。總體而言，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1、本發(fā)明通過以PEDOT:PSS薄膜作為陽極層，結(jié)合使用不同的陽極界面層，使太陽能電池模塊呈現(xiàn)不同的顏色，從而獲得了顏色更為豐富的圖案化的組合太陽能電池；經(jīng)驗(yàn)證，改變PEDOT:PSS薄膜的層數(shù)和厚度，或與不同的陽極界面層以及光活性層配合；可制備獲得紫紅色、粉紅色、土黃色、藍(lán)綠色等多種顏色的太陽能電池，獲得覆蓋整個(gè)可見光范圍內(nèi)的彩色化太陽能電池，從而獲得豐富多彩的圖案化的組合太陽能電池；2、由于不通過鍍膜而形成彩色圖案，從而提高了圖案化的組合太陽能電池的效率；經(jīng)驗(yàn)證本申請所用彩色太陽能電池模塊的效率比現(xiàn)有技術(shù)的其它彩色太陽能電池提高了13％以上；3、PEDOT:PSS薄膜為柔性材料，使得現(xiàn)有技術(shù)的圖案化的組合太陽能電池在可穿戴設(shè)備以及衣物方面具有更大的應(yīng)用潛力；4、由于PEDOT:PSS薄膜為透明材料，當(dāng)彩色太陽能電池模塊的陰極同時(shí)使用FTO等透明材料時(shí)，其兩極兼具有光電效應(yīng)，從而使得本發(fā)明的圖案化的組合太陽能電池可靈活應(yīng)用于室內(nèi)和室外；5、PEDOT:PSS薄膜的制備過程相對簡單，厚度易于控制，從而簡化了圖案化的組合太陽能電池的整體制備工藝。附圖說明圖1是本發(fā)明彩色太陽能電池模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例15的圖案化的組合太陽能電池的圖案組成；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1-4中彩色有機(jī)太陽能電池的反射光譜圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例5-8中彩色鈣鈦礦太陽能電池的反射光譜圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例9-11中彩色鈣鈦礦太陽能電池的反射光譜圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例6和7中彩色鈣鈦礦太陽能電池的電流-電壓圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本
發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。本發(fā)明提供了一種彩色太陽能電池模塊，所述彩色太陽能電池模塊從底層至頂層依次包括陰極層、光活性層以及陽極層，所述陽極層的厚度為5nm～500nm，所述陽極層由1層～100層PEDOT:PSS薄膜組成，其電導(dǎo)率為500S/cm～4000S/cm；為保證界面層與電極之間接觸以及PEDOT:PSS較高的透過率(平均透過率超過75％)，所述陽極層的厚度優(yōu)選為30nm～192nm，所述陽極層的層數(shù)優(yōu)選為1層～4層；其中，所述陰極層的厚度為5nm～1μm，所述陰極層的材料為納米銦錫、氟摻雜錫氧化物、銀或鈦；在所述陰極層與光活性層之間，和/或所述陽極層與光活性層之間，還包括界面層，分別用于實(shí)現(xiàn)陰極層與光活性層之間的電子傳輸，以及陽極層與光活性層之間的空穴傳輸，同時(shí)與PEDOT:PSS薄膜配合，使彩色太陽能電池模塊呈現(xiàn)不同的顏色，如圖1所示；當(dāng)界面層的材料為金屬氧化物、石墨烯、石墨烯衍生物或有機(jī)半導(dǎo)體時(shí)，其厚度為5nm～200nm；當(dāng)界面層的材料為金屬氧化物時(shí)，其厚度為5nm～50nm；所述光活性層為有機(jī)半導(dǎo)體吸光層或無機(jī)半導(dǎo)體吸光層，當(dāng)采用有機(jī)共軛聚合物或小分子作為光活性層時(shí)，該光活性層即為有機(jī)半導(dǎo)體吸光層，其厚度為50nm～500nm，該彩色太陽能電池模塊為有機(jī)太陽能電池，有機(jī)太陽能電池具有質(zhì)輕、柔性以及可采用溶液法實(shí)現(xiàn)大面積制備的優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)采用鈣鈦礦作為光活性層時(shí)，該光活性層即為無機(jī)半導(dǎo)體吸光層，其厚度為200nm～500nm，該彩色太陽能電池模塊為鈣鈦礦太陽能電池，無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池效率具有低成本及光電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)。在上述彩色太陽能電池模塊的制備過程中，可在陽極界面層相同的情況下，通過調(diào)整PEDOT:PSS薄膜的厚度和/或?qū)訑?shù)，形成一種至多種不同顏色的彩色太陽能電池模塊，例如，當(dāng)采用Spiro-OMeTAD作為陽極界面層，PEDOT:PSS薄膜的厚度分別為75nm、95nm以及105nm時(shí)，可獲得顏色分別為紫紅色、天藍(lán)色以及草綠色的彩色太陽能電池模塊；這些顏色各不相同的彩色太陽能電池模塊分別為第一彩色太陽能電池模塊至第N彩色太陽能電池模塊，N≥3；再將這些彩色太陽能電池模塊切割為預(yù)定形狀后，排列為圖案并進(jìn)行串聯(lián)，既可獲得圖案化的組合太陽能電池，該組合太陽能電池包括至少3種不同的顏色的彩色太陽能電池模塊形成的圖案，從而具有更加豐富的顏色和圖案。為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，故下面列實(shí)施例1-實(shí)施例15進(jìn)一步說明。在本申請實(shí)施例1～實(shí)施例14中，PEDOT:PSS薄膜均以以下方法制備：(1)在PH1000(聚3，4-乙撐二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽混合物水分散液)溶液中添加5％(質(zhì)量比)乙二醇溶液和表面活性劑0.5％(質(zhì)量比)PEG-TmDD(聚乙二醇2,5,8,11-四甲基-6-十二炔-5,8-二醇醚)作為電極溶液；(2)在PDMS(聚二甲基硅氧烷)基底上旋涂上述溶液，通過控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PEDOT:PSS薄膜的厚度。轉(zhuǎn)速為400rpm，600rpm，800rpm，1000rpm，2000rpm，3000rpm，4000rpm，對應(yīng)PEDOT:PSS薄膜厚度為250nm，160nm，105nm，95nm，75nm，45nm，30nm，PEDOT:PSS薄膜的電導(dǎo)率約為600S/cm。實(shí)施例1彩色有機(jī)太陽能電池彩色有機(jī)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)為glass/ITO/PEI/P3HT:ICBA/PEDOT:PSS，其中，ITO玻璃為襯底，PEI作為陰極，P3HT:ICBA作為光活性層，PEDOT:PSS作為陽極層；實(shí)施例1的具體制備方法如下：(1)ITO玻璃(氧化銦錫導(dǎo)電玻璃)經(jīng)去離子水、丙酮、異丙醇超聲波清洗，再經(jīng)Plasma清洗，在上述ITO玻璃上旋涂聚醚酰亞胺PEI(～10nm)作為陰極界面修飾層，然后將P3HT:ICBA(～200nm，P3HT為聚3-己基噻吩，ICBA為茚雙加成C60衍生物)給受體材料共混的溶液旋涂到PEI層上(P3HT和ICBA質(zhì)量比為1:1，溶液總濃度為40mg/mL，溶劑為鄰二氯苯，轉(zhuǎn)速為600rpm)作為光活性層，后置于熱臺(tái)上150℃加熱5分鐘。(2)將實(shí)施例1中的高導(dǎo)電性的PEDOT:PSS薄膜通過層壓轉(zhuǎn)移方法轉(zhuǎn)移到P3HT:ICBA層上，通過此方法得到48nm的PEDOT:PSS電極，該有機(jī)太陽能電池器件的顏色為紅色。實(shí)施例2以所述的相同步驟重復(fù)實(shí)施例1，區(qū)別在于，PEDOT:PSS電極的厚度為95nm，該有機(jī)太陽能電池器件的顏色為藍(lán)綠色。實(shí)施例3以所述的相同步驟重復(fù)實(shí)施例1，區(qū)別在于，PEDOT:PSS電極的厚度為105nm，該有機(jī)太陽能電池器件的顏色為綠色。實(shí)施例4以所述的相同步驟重復(fù)實(shí)施例1，區(qū)別在于，PEDOT:PSS電極的厚度為160nm，該有機(jī)太陽能電池器件的顏色為黃色。實(shí)施例5彩色鈣鈦礦太陽能電池I彩色鈣鈦礦太陽能電池I的器件結(jié)構(gòu)為glass/FTO/c-TiO2(40nm)/m-TiO2(200nm)/CH3NH3PbI3-xClx(280nm)/Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴，2,2',7,7'-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'-spirobifluorene)(160nm)/PEDOT:PSS，其中，F(xiàn)TO玻璃為襯底，c-TiO2作為陰極，m-TiO2作為陰極界面層，CH3NH3PbI3-xClx作為光活性層，Spiro-OMeTAD作為陽極界面層，PEDOT:PSS作為陽極層；實(shí)施例1的具體制備方法如下：(1)FTO玻璃(氟摻雜氧化銦錫導(dǎo)電玻璃)經(jīng)去離子水、丙酮、異丙醇超聲波清洗，首先噴涂一層40nm的致密TiO2(c-TiO2)，然后旋涂一層200nm的介孔型TiO2(m-TiO2)，550℃加熱30分鐘，然后將CH3NH3PbI3-xClx(MAI、PbI2和PbCl2的摩爾比為1.3:1.26:0.14，溶劑為GBL:DMSO混合溶液，體積比為7:3，轉(zhuǎn)速為1000rpm，時(shí)間10s，轉(zhuǎn)速4500rpm，時(shí)間20s，旋涂至25s時(shí)滴加甲苯溶液)鈣鈦礦溶液旋涂到m-TiO2層作為光活性層，100℃加熱5分鐘，將現(xiàn)配置的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD，溶劑為氯苯，濃度為80mg/mL，添加劑為28.8μL4-叔丁基吡啶溶液和17.5μL雙(三氟甲磺酰亞胺)鋰)的乙腈溶液)溶液旋涂到鈣鈦礦層上作為陽極界面層。(2)將高導(dǎo)電性的PEDOT:PSS薄膜通過層壓轉(zhuǎn)移方法轉(zhuǎn)移到Spiro-OMeTAD層上，通過此方法得到厚度為75nm的PEDOT:PSS電極，該太陽能電池器件的顏色為紫紅色。實(shí)施例6以所述的相同步驟重復(fù)實(shí)施例5，區(qū)別在于，PEDOT:PSS電極的厚度為95nm，該太陽能電池器件的顏色為天藍(lán)色。實(shí)施例7以所述的相同步驟重復(fù)實(shí)施例5，區(qū)別在于，PEDOT:PSS電極的厚度為105nm，該太陽能電池器件的顏色為藍(lán)綠色。實(shí)施例8以所述的相同步驟重復(fù)實(shí)施例5，區(qū)別在于，PEDOT:PSS電極層數(shù)為4層，每層的厚度為48nm，該太陽能電池器件的顏色為粉紅色。實(shí)施例9彩色鈣鈦礦太陽能電池II彩色鈣鈦礦太陽能電池II的器件結(jié)構(gòu)為glass/FTO/c-TiO2(40nm)/m-TiO2(200nm)/CH3NH3PbI3-xClx(280nm)/P3HT(30nm)/PEDOT:PSS，其中g(shù)lass/FTO/c-TiO2/m-TiO2/CH3NH3PbI3-xClx和PEDOT:PSS電極同實(shí)施例3中的步驟制備，區(qū)別在于，采用聚合物聚(3-己基噻吩)(P3HT)替代小分子Spiro-OMeTAD，通過此方法得到厚度為48nm的PEDOT:PSS電極，該太陽能電池器件的顏色為紫藍(lán)色。實(shí)施例10以所述的相同步驟重復(fù)實(shí)施例9，區(qū)別在于，PEDOT:PSS電極的層數(shù)為2層，每層厚度為40nm，該太陽能電池器件的顏色為深藍(lán)色。實(shí)施例11以所述的相同步驟重復(fù)實(shí)施例9，區(qū)別在于，PEDOT:PSS電極的厚度為95nm，該太陽能電池器件的顏色為天藍(lán)色。為了簡化描述，故將實(shí)施例12～實(shí)施例14列表如下，表中未列的參數(shù)均與實(shí)施例5相同。表1實(shí)施例12～實(shí)施例14的相關(guān)參數(shù)實(shí)施例12實(shí)施例13實(shí)施例14陽極的總厚度5nm30nm500nm陽極的層數(shù)11100陽極界面層Spiro-OMeTADSpiro-OMeTADSpiro-OMeTAD陽極界面層的厚度5nm100nm200nm光活性層CH3NH3PbI3-xClxCH3NH3PbI3-xClxCH3NH3PbI3-xClx陰極層的厚度5nm100nm1μm顏色淡紅色土黃色藍(lán)色實(shí)施例15將實(shí)施例5～實(shí)施例8制備的太陽能電池器件切割為相同的形狀和大小的不同顏色的子模塊，并按照預(yù)定設(shè)計(jì)排列為圖案，然后利用絲印銀柵線將所有子模塊進(jìn)行串聯(lián)，其形成的圖案示意圖如圖2所示，該圖案包括紫紅色、天藍(lán)色、藍(lán)綠色和粉紅色四種顏色。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖3～圖5為實(shí)施例1～實(shí)施例11的反射光譜圖，從圖中可以看出，器件反射峰與顏色是一致的，例如實(shí)施例1的反射峰位于634nm，對應(yīng)紅色；實(shí)施例2的反射峰位于505nm，對應(yīng)藍(lán)綠色，實(shí)施例5的反射峰位于699nm和466nm，對應(yīng)為紫紅色，實(shí)施例6的反射峰位于504nm，對應(yīng)為天藍(lán)色，實(shí)施例7的反射峰位于548nm，對應(yīng)為藍(lán)綠色，實(shí)施例8對應(yīng)的反射峰位于677nm，對應(yīng)為粉紅色，實(shí)施例10的反射峰位于408nm，對應(yīng)為深藍(lán)色，實(shí)施例9的反射峰位于401nm，對應(yīng)為紫藍(lán)色，實(shí)施例11的反射峰位于474nm，對應(yīng)為天藍(lán)色。彩色太陽能電池器件的光伏性能是在100mW/m2的AM1.5模擬太陽光照射下測量得到。實(shí)施例6～實(shí)施例7的光伏性能參數(shù)如表2所示，從FTO端光照射的器件電流-電壓曲線如圖6所示。表2彩色太陽能電池的光伏性能參數(shù)從表2中可以看出，從FTO端照射，基于PEDOT:PSS彩色器件的光電轉(zhuǎn)換效率超過了15％，相比于現(xiàn)有的彩色鈣鈦礦電池，其性能得到提高；另一方面，由于PEDOT:PSS為半透明電極，從PEDOT:PSS端照射，相應(yīng)器件的光電轉(zhuǎn)換效率可以超過13％。這種彩色太陽能電池由于陽極和陰極都為透明材料，而兩端兼具有光電效應(yīng)可靈活應(yīng)用于室內(nèi)和室外。總體而言，本發(fā)明提供的采用PEDOT:PSS薄膜作為彩色太陽能電池的電極的技術(shù)方案不僅工藝簡單、可控性好，同時(shí)展現(xiàn)了優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率，有望在彩色光電器件中得到廣泛的應(yīng)用。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3