CN106449995A - 一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层、阳极修饰层、三元板式光活性层、阴极缓冲层、透明导电阴极层和衬底层。通过优化电池的光活性层结构，将电子给体，第一电子受体和第二电子受体做成垂直于衬底层的三元板式结构。该太阳能电池的制备方法为：对以衬底进行清洗烘干待用，在上依次制备透明导电阴极层、阴极缓冲层、三元板式光活性层、阳极修饰层、金属阳极层，最后得到有机太阳能电池。本发明提出的三元板式光活性层，一方面增加了材料的接触面层，能够产生更多的载流子，另一方面能减少载流子在迁徙中的湮灭，最终提高了太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池领域，特别涉及一种三元板有机薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
因为日益严重的环境污染问题，传统能源面临逐步枯竭的困境，光伏发电作为替代能源已经人们关注的重点，特别是有机太阳能电池。这种太阳能电池具有环境友好，质量轻、可弯曲等诸多优点，因而成为过去十年间人们研究的重点。有机太阳能电池是典型的三明治结构：透明导电材料作为阳极，低功函数的金属作为阴极，中间则是共轨聚合物给体和受体的混合层。近年来，有机三元太阳能电池引起人们越来越浓厚的兴趣，相比于二元电池，三元电池在光吸收能力上的增强使得它们的能量转换效率较高。
2014年，IBM研究院发明了一款微观（microscopic）3D打印机，可以在柔软的聚合物雕刻上纳米级分辨率图案，随后扩展在硅，III-V(砷化镓)，或是石墨烯基板等材料进行雕刻。它可以像纳米级分辨率的铣床一样运作，在有机化合物上雕刻出纳米级的沟槽。
常见的有机三元光活性层主要有结构形式，是将一种电子给体材料和两种电子受体材料混合后制成薄膜，这种体相异质光活性层，虽然接触面积较大，但是空穴和电子在向电极迁徙中容易湮灭，影响电池的光电转换效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池，该电池与传统三元有机薄膜电池的区别是，将电子给体，第一电子受体和第二电子受体做成垂直于衬底层的分层结构，降低空穴和电子在向电极迁徙中相互湮灭的比例，能够提高提高光电转换效率。
一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层1、阳极修饰层2、三元板式光活性层3、阴极缓冲层4、透明导电阴极层5和衬底层6。
所述金属阳极层1的材料是：金属银，其薄膜厚度为1-5μm。
所述阳极修饰层2的材料是：氧化钨，其薄膜厚度为80-150nm。
所述的光活性层3的材料是：聚苯并二噻吩：富勒烯衍生物：Bis(1-3-[(甲氧羰基)丙基]-1-苯基)-[6,6]-C70，其薄膜厚度为200-250nm。
所述阴极缓冲层4的材料是：氧化锌，其薄膜厚度为80-150nm。
所述透明导电阴极层5的材料是：导电氧化铟锡薄膜，其薄膜厚度为120-250nm。
所述衬底层6的材料是：聚对苯二甲酸乙二脂，其薄膜厚度为0.1-1.0mm。
银的元素符号为Ag，氧化钨符号为WO3，聚苯并二噻吩符号为PTB7，富勒烯衍生物符号为PC70BM,Bis(1-3-[(甲氧羰基)丙基]-1-苯基)-[6,6]-C70符号为Bis-PC70BM，氧化锌符号为ZnO，导电氧化铟锡薄膜符号为ITO，聚对苯二甲酸乙二脂符号为PET。
所述金属阳极层1为厚度为3μm 的Ag，所述阳极修饰层2为100nm 的WO3，所述光活性层3为包括电子给体8,第一电子受体7和第二电子受体9组成的三元板式光活性层结构,厚度为200nm；所述阴极缓冲层4为140nm的ZnO，所述透明导电阴极层5和衬底层6总厚度为0.125mm的PET-ITO。
所述的三元板式结构光活性层，电子给体8和第一电子受体7的分界面与衬底层6垂直，电子给体8和第二电子受体9的分界面与衬底层6垂直。
所述的三元板式结构光活性层，电子给体8的材料为PTB7，第一电子受体7的材料为PC70BM，第二电子受体9的材料为Bis-PC70BM。
本发明所提供的三元板式光活性层有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤:
(1)在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为80-150nm的ZnO，并在200°C下加热30min固化，冷却；
(3) 三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中任选一种，在阴极缓冲层上制备薄膜层，控制厚度为80-250nm，120 °C下加热15min固化，冷却，得到固化的薄膜；
（4）从电池任意侧边开始，从距离侧边5-15nm处开始，按照15-45nm的间隔，在（3）中得到的薄膜上用微观3D打印机雕刻宽度为5-15nm，深度为80-250nm的直槽；
(5) 在（3）中除制成薄膜的材料，三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中剩下的两种材料任意选用一种材料配成溶液，用匀胶机将直槽填平，120 °C下加热15min固化，冷却得到固化的薄膜；
（6）与（4）中的一致的电池侧边开始，从距离侧边10-30nm处开始，按照15-45nm的间隔，在（5）中得到的薄膜上用微观3D打印机雕刻宽度为5-15nm，深度为80-250nm的直槽，直槽与（4）中直槽方向平行；
(7) 除去（3）和（5）使用的两种材料 ，三种材料中PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM未使用材料配成溶液，用匀胶机将直槽填平，120 °C下加热15min固化，冷却，得到三元板式光活性层；
（8）从与（4）中直槽垂直的电池任意侧边开始，从距侧边10nm开始，按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm，深度为50nm的直槽；
(9)在光活性层上面旋涂一层WO3层，控制匀胶机转速为1500rpm，匀胶时间20s，使膜厚80-150nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却；
(10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为lμm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为1-5μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化；
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池，通过优化电池的光活性层结构，将电子给体，第一电子受体和第二电子受体构建垂直于衬底层的三元板式结构，这种结构可以有效增加电子给体材料和电子受体材料的接触面积，减少空穴和电子在迁徙过程中的相互湮灭比例，提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为三元板式光活性层结构示意图。
具体实施方案
下面参照附图并结合实施例详述本发明。
如图1所示：一种三元板式光活性层的有机薄膜太阳能电池，包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层1、阳极修饰层2、三元板式光活性层3、阴极缓冲层4、透明导电阴极层5和衬底层6。
本发明所提供的三元板式光活性层有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤:
(1) 在PET-ITO基板上刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO的溶液旋涂在ITO透明导电薄膜上，形成阴极缓冲层；
(3)三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中任选一种，在阴极缓冲层上制备薄膜层，120°C下加热15min固化，冷却；
(4)从电池任意侧边开始，用微观 3D打印机雕刻宽度直槽；
(5) 在（3）中除制成薄膜的材料，三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中剩下的两种材料任意选用一种材料配成溶液，用匀胶机将直槽填平，120 °C下加热15min固化，冷却；
（6）与（4）中的电池侧边一致，用微观3D打印机雕刻宽度为直槽，直槽与（4）中直槽方向平行；
(7) 除去（3）和（5）使用的两种材料 ，三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中未使用材料配成溶液，用匀胶机将直槽填平，120 °C下加热15min固化，冷却；
（8）从与（4）中直槽垂直的电池任意侧边开始，用微观3D打印机雕刻宽度直槽；
(9)在光活性层上面旋涂一层PEDOT:PSS层，制备薄膜在150 °C下加热 30min固化，冷却；
(10)在PEDOT：PSS层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，制备金属阳极，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化；
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
实施例1:
（1）在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为80nm的ZnO，并在200°C下加热30min固化，冷却；
(3)在ZnO层上滴加含PTB7，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，匀胶时间为30s，控制厚度为80nm，120 °C下加热15min固化，冷却；
（4）从电池任意侧边开始，从离侧边距离为5nm的位置开始，按照15nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为5nm，深度为80nm的直槽；
(5)在PTB7层上滴加含PC70BM，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，直到直槽填平后停止，120 °C下加热15min固化，冷却；
（6）与（4）中的开始电池侧边一致，从离侧边距离为10nm的位置开始，按照15nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为5nm，深度为80nm的直槽，直槽与（4）中直槽方向平行；
(7)在PTB7层上滴加含Bis-PC70BM，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，直到直槽填平后停止，120 °C下加热15min固化，冷却，得到三元板式光活性层；
（8）从与（4）中直槽垂直的电池任意侧边开始，从离侧边距离为10nm的位置开始，按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm，深度为50nm的直槽；
(9)在光活性层上面旋涂一层WO3层，控制匀胶机转速为1500rpm，匀胶时间20s，使膜厚80nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却；
(10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为lμm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为1μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化；
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
实施例2：
（1）在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为250nm的ZnO，并在180 °C下加热35min固化，冷却；
(3)在ZnO层上滴加含PC70BM，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为3500rpm，匀胶时间为35s，控制厚度为250nm，120 °C下加热15min固化，冷却；
（4）从电池任意侧边开始，从离侧边距离为15nm的位置开始，按照45nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为15nm，深度为250nm的直槽；
(5)在PC70BM层上滴加含PTB7，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，直到直槽填平后停止，120 °C下加热15min固化，冷却；
（6）与（4）中的开始位置一致，从离侧边距离为30nm的位置开始，按照45nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为15nm，深度为250nm的直槽，直槽与（4）中直槽方向平行；
(7)在PC70BM层上滴加含Bis-PC70BM，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，直到直槽填平后停止，120 °C下加热15min固化，冷却，得到三元板式光活性层；
（8）从与（4）中直槽垂直的电池任意侧边开始，从离侧边距离为10nm的位置开始，按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm，深度为50nm的直槽；
(9)在光活性层上面旋涂一层WO3层，控制匀胶机转速为1500rpm，匀胶时间20s，使膜厚150nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却；
(10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为1μm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为5μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化；
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
实施例3:
（1）在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
(2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为140nm的ZnO，并在180 °C下加热35min固化，冷却；
(3)在ZnO层上滴加含Bis-PC70BM，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4500rpm，匀胶时间为35s，控制厚度为200nm，120 °C下加热15min固化，冷却；
（4）从电池任意侧边开始，从离侧边距离为10nm的位置开始，按照30nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm，深度为200nm的直槽；
(5)在Bis-PC70BM层上滴加含PTB7，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，直到直槽填平后停止，120 °C下加热15min固化，冷却；
（6）与（4）中的开始位置一致，从离侧边距离为20nm的位置开始，按照30nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm，深度为200nm的直槽，直槽与（4）中直槽方向平行；
(7)在Bis-PC70BM层上滴加含PC70BM，总浓度为15mg/mL的氯苯溶液，控制匀胶机的转速为4000rpm，直到直槽填平后停止，120 °C下加热15min固化，冷却，得到三元板式光活性层；
（8）从与（4）中直槽垂直的电池任意侧边开始，从离侧边距离为10nm的位置开始，按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm，深度为50nm的直槽；
(9)在光活性层上面旋涂一层WO3层，控制匀胶机转速为1500rpm，匀胶时间20s，使膜厚100nm左右，在150 °C下加热 30min固化，冷却；
(10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为1μm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为3μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热50min固化；
(11)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
以上所述仅为本发明的具有代表性的实施例，不以任何方式限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池，其特征在于，包括从上到下依次排列叠加的金属阳极层（1）、阳极修饰层（2）、三元板式光活性层（3）、阴极缓冲层（4）、透明导电阴极层（5）和衬底层（6）。
2.根据权利要求1所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述三元板式结构的光活性层，由相互平行的电子给体层（8），第一电子受体层（7）和第二电子受体层（9）构成。
3.根据权利要求1所述的一种三元板式活性层有机薄膜太阳能电池，其特征在于，所述金属阳极层（1）为厚度为3μm的Ag层，所述阳极修饰层（2）为100nm 的WO3，所述光活性层（3）为包括电子给体材料PTB7,第一电子受体材料PC70BM和第二电子受体材料BisPC70BM三元板式结构的光活性层，厚度为200nm，所述阴极缓冲层（4）为200nm 的ZnO，所述透明导电阴极层（5）和衬底层（6）总厚度为0.125mm的PET-ITO。
4.根据权利要求3，其特征在于，所述的电子给体层（8），宽度为5-15nm, 最为优选的宽度为10nm，高度为80-250nm，最为优选的高度为200nm。
5.根据权利要求3，其特征在于，所述的电子受体层（7），宽度为5-15nm, 最为优选的宽度为10nm，高度为80-250nm，最为优选的高度为200nm。
6.根据权利要求3，其特征在于，所述的电子受体层（9），宽度为5-15nm, 最为优选的宽度为10nm，高度为80-250nm，最为优选的高度为200nm。
7.根据权利要求2所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池，其特征在于第二电子受体层（9）与电子给体层的分界线（8）与衬底层垂直。
8.根据权利要求3所述的一种三元板式光活性层有机薄膜太阳能电池，其特征在于第二电子受体层（9）与电子给体层的分界线（8）与衬底层垂直。
9 根据权利要求1-8中任一项所述的一种三元板式光活性层机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1) 在100mmX100mm，厚度为0.125mm的PET-ITO基板上（珠海凯为光电科技有限公司，PET双面加硬处理，透光率85%，45ohm/sq）刻蚀成具有一定宽度的细条状，清洗干净并烘干待用；
2)将利用溶胶-凝胶法制备的ZnO纳米粒子分散在氯苯中，浓度为50mg/mL，然后旋涂在ITO透明导电薄膜上，匀胶机转速为4500rpm(转/分)，匀胶时间为30s，形成一层厚度为80-150nm的ZnO，并在200°C下加热30min固化，冷却；
3) 三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中任选一种，在阴极缓冲层上制备薄膜层，控制厚度为80-250nm，120 °C下加热15min固化，冷却，得到固化的薄膜；
4）从电池任意侧边开始，从距离侧边5-15nm处开始，按照15-45nm的间隔，在3）中得到的薄膜上用微观3D打印机雕刻宽度为5-15nm，深度为80-250nm的直槽；
5) 在3）中除制成薄膜的材料，三种材料PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM中剩下的两种材料任意选用一种材料配成溶液，用匀胶机将直槽填平，120 °C下加热15min固化，冷却得到固化的薄膜；
6）与4）中一致的电池侧开始，从距离侧边10-30nm处开始，按照15-45nm的间隔，在5）中得到的薄膜上用微观3D打印机雕刻宽度为5-15nm，深度为80-250nm的直槽，直槽与4）中直槽方向平行；
7) 除去3）和5）使用的两种材料 ，三种材料中PTB7，PC70BM和Bis-PC70BM未使用材料配成溶液，用匀胶机将直槽填平，120 °C下加热15min固化，冷却，得到三元板式光活性层；
8）从与4）中直槽垂直的电池任意侧边开始，从距侧边10nm开始，按照20nm的间隔用微观3D打印机雕刻宽度为10nm，深度为50nm的直槽；
9)在光活性层上面旋涂一层WO3层，控制匀胶机转速为1500rpm，匀胶时间20s，使膜厚80-150nm，在150 °C下加热 30min固化，冷却；
10)在WO3层上面利用丝网印刷法形成一层导电银浆料，其中浆料的组成以质量比计为:粒径为lμm的银粉60%、己二酸二甲醋30%、环氧树脂1%、可溶性酚醛树脂9%，形成厚度为1-5μm的膜，并置于手套箱中在100 °C下加热40min固化；
11)最后将整个器件置于手套箱中退火，得到有机太阳能电池。
9.根据权利要求8中所述的一种三元板式有机薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，4），6）和7）中的直槽是指薄膜完全固化之后从表面向下雕刻而成。
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