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CN113540357B - 一种柔性有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种柔性有机太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性有机太阳能电池，包括上下设置的上柔性透明衬底和下柔性透明衬底，所述上柔性透明衬底和下柔性透明衬底之间从下往上依次连有底电极、空穴传输层、活性层、电子传输层和顶电极，所述顶电极上面与所述上柔性透明衬底下面连接，所述底电极下面与所述下柔性透明衬底上面连接。本发明还提供一种柔性有机太阳能电池制备方法。本发明提供的一种柔性有机太阳能电池及其制备方法，能够实现太阳能电池良好柔性性能，同时能够提高其光电转换效率。

Description

一种柔性有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性有机太阳能电池及其制备方法，属于光伏发电技术领域。
背景技术
有机太阳能电池由于其潜在的优势吸引了广泛关注，例如光吸收范围可调，重量轻，机械柔韧性以及基于卷对卷印刷的低成本批量生产等。随着电子产品、家用电器、精密仪器仪表及可穿戴器件的智能化、小型化、便携化的发展，对电池轻巧、柔性、体积小等要求越来越迫切，柔性太阳能电池无疑是最佳选择，并将助力电子产品的发展与变革。如何实现太阳能电池良好柔性性能的同时，进一步提高其光电转换效率已成为当前研究的热点。
现有技术中，有机太阳能电池的顶电极一般是通过真空蒸镀技术制备形成。其中，真空蒸镀技术是将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在基片表面析出的过程。在制备有机太阳能电池时，真空蒸镀存在一定的缺陷，比如真空蒸镀需要昂贵的设备，且制备时间长，蒸镀的顶电极不透光且不具有柔韧性，无法满足柔性电子器件的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够实现太阳能电池良好柔性性能，同时能够提高其光电转换效率的柔性有机太阳能电池及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种柔性有机太阳能电池，包括上下设置的上柔性透明衬底和下柔性透明衬底，所述上柔性透明衬底和下柔性透明衬底之间从下往上依次连有底电极、空穴传输层、活性层、电子传输层和顶电极，所述顶电极上面与所述上柔性透明衬底下面连接，所述底电极下面与所述下柔性透明衬底上面连接。
所述上柔性透明衬底和下柔性透明衬底的材质包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸醋、聚氨基甲酸醋、聚酞亚胺和聚丙烯酸中的一种或多种混合物。
所述顶电极和底电极的材质包括金属纳米粒子、金属纳米线、导电聚合物和金属栅中的一种或多种混合物。
所述空穴传输层材料的材质包括聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、氧化镍、氧化钼和氧化铜中的一种或多种混合物。
所述电子传输层为两亲性n型有机界面材料。
所述活性层为电子给体和电子受体按照一定重量比共混。
一种柔性有机太阳能电池制备方法，包括以下步骤：
S01，对上柔性透明衬底和下柔性透明衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干备用；
S02，对清洗吹干后的上柔性透明衬底和下柔性透明衬底进行紫外臭氧处理，在上柔性透明衬底和下柔性透明衬底表面分别旋涂制备顶电极和底电极；
S03，在底电极上旋涂制备空穴传输层，进行热退火处理；
S04，在空穴传输层上旋涂制备活性层，进行热退火处理；
S05，在活性层上旋涂制备电子传输层；
S06，通过层压技术将顶电极压印到电子传输层上。
S01中，清洗具体方法为依次在清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇中各清洗15min；S02中，紫外臭氧处理处理时间为15min。
S03中，退火温度为120℃，退火时间为10min；S04中，退火温度为120℃，退火时间为20min。
S06中，层压技术包括层压工序和加热工序两步，其中层压工序采用冲压形成机对上柔性透明衬底和下柔性透明衬底进行夹持夹持压力为2ton/cm2；加热工序加热温度为30～200℃。
本发明的有益效果：本发明提供的一种柔性有机太阳能电池及其制备方法，采用层压法制备得到柔性有机太阳能电池，使用上柔性透明衬底和下柔性透明衬底，可实现双面吸光，提高光子利用率，进而提高了该太阳能电池的光电转换效率和柔韧性，同时层压法制得的柔性有机太阳能电池界面接触紧密，器件稳定性高；底电极、空穴传输层、活性层、电子传输层和顶电极分别采用旋涂全溶液法制备柔性有机太阳能电池，简化了器件制造工艺、降低了制造成本，有利于工业化生产；电子传输层为两亲性n型有机界面材料，该两亲性n型有机界面材料可以提高载流子迁移率，进一步提高短路电流，从而提高器件光电转换效率。
附图说明
图1为本发明一种柔性有机太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例中所用材料的化学结构式；
图3为本发明热滚冲压机制备柔性有机太阳能电池示意图；
图4为本发明各个实施例制备得到的性有机太阳能电池的剥离强度测试数据图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
具体实施例1
如图1所示，本发明公开一种柔性有机太阳能电池，包括上下设置的上柔性透明衬底和下柔性透明衬底，上柔性透明衬底和下柔性透明衬底之间从下往上依次连有底电极、空穴传输层、活性层、电子传输层和顶电极，顶电极上面与上柔性透明衬底下面连接，底电极下面与下柔性透明衬底上面连接。顶电极通过层压法压印到电子传输层上制备得到柔性有机太阳能电池。各层的厚度分别为：上柔性透明衬底和下柔性透明衬底均为1mm，顶电极为70nm，空穴传输层为30nm，有机活性层为100nm，电子传输层为10nm，底电极为100nm。
柔性透明衬底需要同时满足易弯折、高透光性、表面粗糙度小这三点，作为优选，选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜、聚酰亚胺(PEI)薄膜、聚乙烯比咯烷酮(PVP)薄膜中的一种或几种。在本实施例中优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
顶电极和底电极为金属纳米粒子、金属纳米线、导电聚合物、金属栅中的一种或几种，通过旋涂、刷涂、刮涂、喷墨打印中的一种或几种方法制得。在本实施例中，顶电极和底电极选为导电聚合物，具体为PEDOT：PSS(PH1000)。
活性层中，电子给体、电子受体按照一定重量比共混。
电子传输层为具有电子传输能力的有机小分子，在本实施例中优选为3,3'-(1,3,8,10-四蒽酮并[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f']二异喹啉-2,9(1H,3H,8H,10H)-二基)双(N,N-二甲基丙烷-1-氧化胺)(PDINO)，PDINO化学结构如图2所示。
空穴传输层为聚3,4乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐、氧化镍、氧化钼、氧化铜中的一种。在本实施例中优选为聚3,4乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS(4083))。
本发明还公开一种柔性太阳能电池的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤一，将上柔性透明衬底和下柔性透明衬底(14ⅹ14mm的聚酯(PET)基底)在清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇中各清洗15min，氮气吹干后紫外臭氧处理15min。
步骤二，在PET上制备PEDOT:PSS电极。先用0.45μm的过滤器过滤PEDOT:PSS溶液，然后以2500rpm的速度旋涂在PET基底上，旋涂时间60s，然后浸泡在三氟乙醇溶液中，浸泡时间3min，然后取出在空气中热退火，退火温度120℃，退火时间10min，即可制得PEDOT:PSS顶电极和底电极。
步骤三，在PEDOT:PSS电极上旋涂PEDOT:PSS(4083)作为空穴传输层，薄膜厚度为30nm，然后在空气中120℃退火20min。
步骤四，在上述空穴传输层上旋涂有机活性层。将PBDB-T和PC71BM溶于氯苯，化学结构如图2所示。PBDB-T和PC71BM浓度分别为20mg/mL、30mg/mL，然后按照体积比1:1共混，将混合溶液旋涂在空穴传输层上形成100nm左右的薄膜，然后100℃退火10min。
步骤五，在上述有机活性层上旋涂PDINO电子传输层。将PDINO溶于甲醇，配制成0.5mg/mL的溶液，然后旋涂在有机活性层上形成10nm左右的薄膜。
步骤六，将顶电极和电子传输层对准进行层压工序，热滚冲压机制备柔性有机太阳能电池示意图如图3所示。层压工序是在电子传输层上层压顶电极形成柔性太阳能电池，电子传输层和顶电极间不使用粘接剂。具体为用冲压形成机夹持它们，从底电极和顶电极施加2ton/cm2的压力，接着，为了使冲压温度达到150℃，以电炉加热冲压形成机，并保持20min，加热工序可以使电子传输层和顶电极紧密接触，即可制得柔性有机太阳能电池器件。
具体实施例2
本实施例与具体实施例1相同，区别仅在于步骤六中冲压温度为30℃。
具体实施例3
本实施例与具体实施例1相同，区别仅在于步骤六中冲压温度为60℃。
具体实施例4
本实施例与具体实施例1相同，区别仅在于步骤六中冲压温度为100℃。
具体实施例5
本实施例与具体实施例1相同，区别仅在于步骤六中冲压温度为120℃。
具体实施例6
本实施例与具体实施例1相同，区别仅在于步骤六中冲压温度为200℃。
将本发明具体实施例1～6中获得的柔性有机太阳能电池进行剥离强度测定。具体而言，将Φ8mm的双面胶粘带粘贴到底电极/顶电极两端的PET基底上，通过拉伸强度试验机测定剥离强度，结果如图4所示。从图中看出，冲压温度为150℃时，柔性有机太阳能电池剥离强度最高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柔性有机太阳能电池制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，对上柔性透明衬底和下柔性透明衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干备用；
S02，对清洗吹干后的上柔性透明衬底和下柔性透明衬底进行紫外臭氧处理，在上柔性透明衬底和下柔性透明衬底表面分别旋涂制备顶电极和底电极；
S03，在底电极上旋涂制备空穴传输层，进行热退火处理；
S04，在空穴传输层上旋涂制备活性层，进行热退火处理；
S05，在活性层上旋涂制备电子传输层；
S06，通过层压技术将顶电极压印到电子传输层上，层压技术包括层压工序和加热工序两步，其中层压工序采用冲压形成机对上柔性透明衬底和下柔性透明衬底进行夹持，夹持压力为2ton/cm2；加热工序加热温度为150℃。
2.根据权利要求1所述一种柔性有机太阳能电池制备方法，其特征在于：S01中，清洗具体方法为依次在清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇中各清洗15min；S02中，紫外臭氧处理处理时间为15min。
3.根据权利要求1所述一种柔性有机太阳能电池制备方法，其特征在于：S03中，退火温度为120℃，退火时间为10min；S04中，退火温度为120℃，退火时间为20min。
4.一种利用权利要求1所述的制备方法制得的柔性有机太阳能电池，其特征在于：包括上下设置的上柔性透明衬底和下柔性透明衬底，所述上柔性透明衬底和下柔性透明衬底之间从下往上依次连有底电极、空穴传输层、活性层、电子传输层和顶电极，所述顶电极上面与所述上柔性透明衬底下面连接，所述底电极下面与所述下柔性透明衬底上面连接。
5.根据权利要求4所述一种柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述上柔性透明衬底和下柔性透明衬底的材质包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲醋、聚碳酸醋、聚氨基甲酸醋、聚酞亚胺和聚丙烯酸中的一种或多种混合物。
6.根据权利要求4所述一种柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述顶电极和底电极的材质包括金属纳米粒子、金属纳米线、导电聚合物和金属栅中的一种或多种混合物。
7.根据权利要求4所述一种柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述空穴传输层材料的材质包括聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、氧化镍、氧化钼和氧化铜中的一种或多种混合物。
8.根据权利要求4所述一种柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述电子传输层为两亲性n型有机界面材料。
9.根据权利要求4所述一种柔性有机太阳能电池，其特征在于：所述活性层为电子给体和电子受体按照一定重量比共混。
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