一种有机太阳能电池制备方法

日期:2019-06-12 21:37:13

一种有机太阳能电池制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于有机光伏技术领域,具体涉及一种有机太阳能电池制备方法。
【背景技术】
[0002]随着能源需求的急剧增加和对环境保护的不断重视,人们对清洁能源的需求越来越大。太阳能取之不尽、用之不竭、廉价无污染,是人们能够自由加以利用的能源,而太阳能电池是利用太阳能的有效手段。但占主导地位的硅基太阳能电池高昂的成本大大阻碍了它的发展和普及。而有机材料具有成本低、光吸收系数高、质地轻、柔性好、制造工艺简单等优点,使其在太阳能电池中的应用引起了人们的广泛关注。有机太阳能电池已成为最有希望的下一代太阳能电池技术之一,也是世界太阳能研究领域的热点。
[0003]在实验室条件下,大多用旋涂工艺制备有机太阳能电池,尽管最高效率已突破10 %,但旋涂工艺不仅制备过程比较复杂,而且造成原材料溶液的极大浪费,将限制未来有机太阳能电池的大规模生产及商业化。除此之外,目前在有机太阳能电池里应用最广泛,技术最成熟的电极材料是Al、Ag电极,以及Ca类界面修饰层,之前取得的不少研究成果大都是基于Al、Ag电极以及Ca类界面修饰层的。但是Al、Ag电极以及Ca类界面修饰层的真空镀膜法成本比较昂贵,且不利于有机太阳能电池的大规模生产。因此人们开始积极寻找Al、Ag电极以及Ca类界面修饰层的溶液制备方法并尝试采用其他较简单、低成本及大规模生产方法。

【发明内容】

[0004]本发明目的在于克服一般溶液旋涂、热蒸镀制备工艺高成本以及无法大规模生产的缺点,提供一种有机太阳能电池制备方法,在大大降低电池成本的同时还能有效适于大规模生产工艺及商业化。
[0005]—种有机太阳能电池的制备方法,包括以下步骤:
[0006]1)对ΙΤ0导电玻璃衬底进行表面预处理,使其表面洁净;
[0007]2)用0.45umPVDF过滤器过滤PEDOT:PSS水溶液,加入醇类掺杂得到水接触角为3-5°的混合溶液;采用超声喷涂工艺在ΙΤ0导电玻璃衬底上喷涂得到20-50nm的PED0T:PSS空穴传输层;热处理蒸发除去溶剂;
[0008]3)将PCDTBT、PC71BM按质量比为1:4溶于氯苯制得固含量为3_8mg/ml的混合溶液;采用超声喷涂工艺在空穴传输层上喷涂得到50-100nm的P⑶TBT:PC71BM光学活性层;对PEDOT:PSS空穴传输层进行热处理蒸发除去溶剂;
[0009]4)以ZnO量子点溶液为原料,采用超声喷涂工艺在光学活性层上制备得到厚度为5-10nm的ZnO量子点电子传输层;
[0010]5)以银纳米粒子胶体墨水为原料,采用超声喷涂工艺在ZnO量子点电子传输层制备厚度为90-130nm的银纳米粒子阴极层;红外光辐射烧结银薄膜。
[0011]按上述方案,步骤1)表面预处理为:把玻璃依次放入氢氧化钠水溶液、丙酮、乙醇和异丙醇中进行超声清洗,每次超声lOmin,然后紫外臭氧处理lOmin。
[0012]按上述方案,步骤2)所述PEDOT:PSS水溶液中加入的醇类溶剂为异丙醇、乙二醇;所得混合溶液中异丙醇、乙二醇的体积百分数各为10%。
[0013]按上述方案,步骤3)氯苯替换为二氯苯。
[0014]按上述方案,所述银纳米粒子胶体墨水按以下方法制备而来:以聚乙烯比咯烷酮为稳定剂,将硼氢化钠的水溶液滴加到硝酸银水溶液中反应制得直径为20nm左右的银纳米粒子,将离心分离收集的银纳米粒子再溶解于乙醇中得到用于喷涂的胶体墨水。
[0015]按上述方案,所述红外光辐射烧结为:将样品移至红外发射器下,发射器到样品间距为7cm,灯丝温度温度为2250°C,然后对银薄膜进行烧结,烧结时间为4s。
[0016]PEDOT:PSS水溶液中加入醇类可有效控制其水接触角和表面张力,使其适于有机太阳能电池的喷涂制备工艺。
[0017]将有机活性给体、受体材料分别溶于一定量氯苯或二氯苯中,可有效调节有机活性给体、受体混合液的水接触角、表面张力、浸润能力、挥发速率及干燥时间等,使其适于有机太阳能电池的喷涂制备工艺并减少有机活性层材料的浪费。
[0018]将ZnO量子点电子传输层置于活性层和阴极层之间有利于电子的抽取,并对活性层进行保护,避免其在金属阴极的溶液涂敷时受到破坏,同时采用喷涂制备工艺可减少蒸镀等工艺带来的高制备成本。
[0019]采用喷涂工艺制备银纳米粒子阴极层可以减少阴极层材料的浪费和蒸镀等工艺带来的高制备成本。
[0020]采用红外灯光对银薄膜进行辐射烧结,可促进银纳米粒子之间的连接、成颈、长晶及致密化,制备高电导率和高反光能力银电极。
[0021]本发明相对于现有技术,有益效果如下:
[0022]采用此逐层喷涂工艺可进行1-36个甚至更多有机电池器件的同时制备;同时此逐层喷涂工艺可在大气环境下以及强光或弱光条件下制备有机电池器件;还可以在喷涂过程中对各薄膜层进行有效的膜处理和热处理;不仅可以节省原材料降低成本,还有利于未来有机太阳能电池的大规模生产及商业化。
【具体实施方式】
[0023]以下实施例进一步阐释本发明的技术方案,但不作为对本发明保护范围的限制。
[0024]本发明有机太阳能电池的制备过程如下:
[0025](本实验超声喷涂仪采用Prism300, Ultrasonic Systems公司)
[0026]1)对ΙΤ0导电玻璃衬底进行表面预处理,使其表面洁净;
[0027]把玻璃依次放入20%氢氧化钠水溶液、丙酮、乙醇和异丙醇中进行超声清洗,每次超声lOmin,然后紫外臭氧处理lOmin。
[0028]2)用0.45umPVDF过滤器过滤PEDOT:PSS水溶液,按体积比1:8:1加入10 % IPA、10% EG对PEDOT:PSS(Clev1s?AI 4083)得到混合溶液;把样品移至超声喷涂仪中,用加热台控制衬底温度为50 °C,将掺杂好的PEDOT:PSS采用超声喷涂的方式在所述ΙΤ0导电玻璃衬底上超声喷涂厚度为30nm的PEDOT:PSS空穴传输层,喷嘴到样品间距为7cm,移动速度为80mm/s。PED0T:PSS薄膜在120°C下热处理lOmin备用。(本实验超声喷涂仪采用Prism 300,Ultrasonic Systems 公司)
[0029]3)按质量比P⑶TBT:PC71BM为1:4溶于氯苯制得固含量为5mg/ml的混合溶液;把样品移至超声喷涂仪中,用加热台控制衬底温度为40-50°C,通过超声喷涂仪超声喷涂上述PCDTBT:PC71BM混合液的方式在所述PEDOT:PSS空穴传输层上得到厚度为80nm的PCDTBT:PC71BM光学活性层,喷嘴到样品间距为5cm,移动速度为50mm/s。
[0030]4)以ZnO量子点溶液为原料,采用超声喷涂工艺在光学活性层上制备得到厚度为5-9nm的ZnO量子点电子传输层;
[0031 ] 将氢氧化钾的甲醇溶液逐步滴加到温度在60°C左右的醋酸锌溶液中,保持恒温反应制得所需ZnO量子点。将离心分离后收集的ZnO量子点再次分散在甲醇溶液中。将沸点高的丁醇按照一定的比例加入ZnO量子点的甲醇溶液中制得ZnO量子点溶液;用0.45umPVDF过滤器过滤ZnO量子点溶液,然后把样品移至超声喷涂仪中,用加热台控制衬底温度为80°C,在所述P⑶TBT:PC71BM活性层上超声喷涂厚度为7nm的ZnO量子点电子传输层,喷嘴到样品间距为5cm,移动速度为150mm/s。
[0032]5)以银纳米粒子胶体墨水为原料,采用超声喷涂工艺在ZnO量子点电子传输层制备厚度为90-120nm的银纳米粒子阴极层;红外光辐射烧结银薄膜;
[0033]以聚乙烯比咯烷酮(PVP)为稳定剂,将硼氢化钠的水溶液滴加到硝酸银水溶液中反应制得直径为20nm左右的银纳米粒子,将离心分离收集银量子点后在溶解于乙醇中得到用于超声喷涂的胶体墨水;用0.45umPVDF过滤器过滤银纳米粒子胶体墨水,然后把样品移至超声喷涂仪中,将定制的掩膜版置于ZnO层表面,在所述ZnO量子点电子传输层上超声喷涂厚度为100nm的银纳米粒子阴极层,喷嘴到样品间距为5cm,移动速度为55mm/s,然后干燥固化形成阴极所需图案;将样品移至红外发射器下,发射器到样品间距为7cm,灯丝温度温度为2250°C,然后对银薄膜进行烧结,烧结时间为4s,促使银量子点之间的连接、成颈、长晶及致密化。
【主权项】
1.一种有机太阳能电池的制备方法,其特征在于包括以下步骤: 1)对ITO导电玻璃衬底进行表面预处理,使其表面洁净; 2)用0.45umPVDF过滤器过滤PEDOT:PSS水溶液,加入醇类得到水接触角为3_5°的混合溶液;采用超声喷涂工艺在ITO导电玻璃衬底上喷涂得到20-50nm的PEDOT:PSS空穴传输层;热处理蒸发除去溶剂; 3)将P⑶TBT、PC71BM按质量比为1:4溶于氯苯制得固含量为3_8mg/ml的混合溶液;采用超声喷涂工艺在空穴传输层上喷涂得到50-100nm的P⑶TBT:PC71BM光学活性层;对PEDOT:PSS空穴传输层进行热处理蒸发除去溶剂; 4)以ZnO量子点溶液为原料,采用超声喷涂工艺在光学活性层上制备得到厚度为5-10nm的ZnO量子点电子传输层; 5)以银纳米粒子胶体墨水为原料,采用超声喷涂工艺在ZnO量子点电子传输层制备厚度为90-130nm的银纳米粒子阴极层;红外光辐射烧结银薄膜。2.如权利要求1所述有机太阳能电池的制备方法,其特征在于步骤1)表面预处理为:把玻璃依次放入氢氧化钠水溶液、丙酮、乙醇和异丙醇中进行超声清洗,每次超声lOmin,然后紫外臭氧处理lOmin。3.如权利要求1所述有机太阳能电池的制备方法,其特征在于步骤2)所述PEDOT:PSS水溶液中加入的醇类溶剂为异丙醇、乙二醇;所得混合溶液中异丙醇、乙二醇的体积百分数各为10% ο4.如权利要求1所述有机太阳能电池的制备方法,其特征在于步骤3)氯苯替换为二氯苯。5.如权利要求1所述有机太阳能电池的制备方法,其特征在于所述银纳米粒子胶体墨水按以下方法制备而来:以聚乙烯比咯烷酮为稳定剂,将硼氢化钠的水溶液滴加到硝酸银水溶液中反应制得直径为20nm左右的银纳米粒子,将离心分离收集的银纳米粒子再溶解于乙醇中得到用于喷涂的胶体墨水。6.如权利要求1所述有机太阳能电池的制备方法,其特征在于所述红外光辐射烧结为:将样品移至红外发射器下,发射器到样品间距为7cm,灯丝温度温度为2250°C,然后对银薄膜进行烧结,烧结时间为4s。
【专利摘要】本发明公开了一种有机太阳能电池的制备方法。包括以下步骤:对ITO导电玻璃衬底进行表面预处理,使其表面洁净;PEDOT:PSS水溶液加入醇类掺杂,采用超声喷涂工艺得到空穴传输层;将PCDTBT、PC71BM按质量比为1:4溶于氯苯制得固含量为3-8mg/ml的混合溶液;采用超声喷涂工艺得到光学活性层;以ZnO量子点溶液为原料,采用超声喷涂工艺制备得到电子传输层;以银纳米粒子胶体墨水为原料,采用超声喷涂工艺制备银纳米粒子阴极层。本发明逐层喷涂工艺可在大气环境下以及强光或弱光条件下制备有机电池器件;还可以在喷涂过程中对各薄膜层进行有效的膜处理和热处理;节省原材料降低成本,有利于大规模生产及商业化。
【IPC分类】H01L51/44, B05D1/38, H01L51/48
【公开号】CN105261705
【申请号】CN201510791336
【发明人】王涛, 姜付本, 闫宇
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月17日

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