一种用碳点做阴极缓冲层的太阳能电池板的制备方法与流程

本发明涉及一种用碳点做阴极缓冲层的太阳能电池板的制备方法，属光电子材料制备及应用的技术领域。

背景技术：

聚合物太阳能电池具有重量轻、柔韧性好的特点，可用湿法成膜，制作成特种形状，例如旋转涂膜、丝网印刷、喷墨打印，可做成大面积产品。

目前，聚合物太阳能电池光电转换效率较低，只有11％，且稳定性较差，成为商业应用的致命性问题。

为了提高太阳能电池的光转换效率，常在太阳能电池板引入缓冲层，常用的缓冲层材料为金属氧化物、聚合物和有机小分子材料，金属氧化物稳定性好，但需要真空沉积方法得到薄膜；聚合物材料具有溶液化成膜的优点，适合大规模印刷技术，但耐水氧稳定性差；小分子材料也存在真空沉积的缺点，同时稳定性差。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的不足，采用碳点在太阳能电池中做阴极缓冲层，先制备碳点，通过旋涂、蒸镀阳极缓冲层、有机活性层、阴极缓冲层、金属阴极层，制成太阳能电池板，以提高太阳能电池的光电转换效率和稳定性。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：乙炔、氩气、聚{4,8双[(2乙基己基)氧]苯并二噻吩-[3-氟-2[2-乙基己基羧酸酯]噻吩[3,4-b]噻吩、[6,6]-苯基C61丁酸甲酯、无水乙醇、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、铝、氯苯、导电玻璃、N,N-二甲基甲酰胺、异丙醇、去离子水、无水甲醇，其准备用量如下：以克、毫升、毫米、厘米³为计量单位

制备方法如下：

(1)化学气相合成石墨化碳点

石墨化碳点的化学气相合成是在管式高温炉内进行的，是以乙炔为碳源、氩气为载气，在高温加热状态下完成的；

①将石英管置于管式高温炉内的道轨上，在石英管两端装入密封塞，确定左部为进气口，右部为出气口；

②石英管左部进气部位连接乙炔+氩气的混合气体箱，石英管右部出气部位连接产物冷却收集箱；

③开启管式高温炉的加热器，加热温度600℃±2℃，向石英管内输入氩气，氩气输入速度200cm³/min，输入时间为15min；

④管式高温炉继续升温至1000℃±2℃，继续输入氩气200cm³/min；

⑤开启乙炔气体瓶，向石英管内输入乙炔气体，乙炔气体输入速度80cm³/min，输入时间60min；

乙炔气体在高温加热、氩气载流下将发生化学形态转换效应，生成碳点，碳点产物随气体流动进入产物冷却收集箱，废气由出气口排出；

⑥停止加热，停止输入乙炔气体，调整氩气输入速度为200cm³/min；

当石英管内温度降至300℃时，停止输氩气，石英管随炉冷却至25℃；

⑦收集碳点

打开冷却收集箱，收集碳点；

⑧清洗、超声分散

将碳点置于烧杯中，加入N,N-二甲基甲酰胺300mL，成混合液；

然后置于超声分散仪内进行超声分散，超声波频率40KHz，时间30min；

⑨抽滤

将混合液置于抽滤瓶的布氏漏斗，用三层中速定性滤纸进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液；

⑩真空冷冻干燥

将滤饼置于石英容器中，然后置于真空冷冻干燥箱中干燥，真空度6Pa，冷冻干燥温度－80℃，冷冻干燥时间30min；

冷冻干燥后即为碳点；

(2)制备太阳能电池板

太阳能电池板为6层结构，第1层为导电玻璃，第2层为阳极层，即ITO层，第3层为阳极缓冲层，第4层为有机活性层，第5层为阴极缓冲层，即碳点层，第6层为金属阴极层，即铝层；

①预处理导电玻璃

去离子水清洗，将导电玻璃置于玻片支架上，将支架置于烧杯中，加入去离子水150mL，然后置于超声波分散仪上，进行超声清洗，超声波频率40KHz，超声清洗时间30min；

无水乙醇清洗，将玻片支架及其上的导电玻璃置于另一烧杯中，加入无水乙醇150mL，然后置于超声波分散仪上，进行超声清洗，超声波频率40KHz，超声清洗时间30min；

异丙醇清洗，将玻片支架及其上的导电玻璃置于另一烧杯中，加入异丙醇150mL，然后置于超声波分散仪上，进行超声清洗，超声波频率40KHz，超声清洗时间30min；

紫外光照射，调整功函数，将清洗后的导电玻璃置于紫外光照射箱内，密闭，紫外光功率40W，紫外光照射时间30min，照射后导电玻璃的功函数为4.8eV；

导电玻璃ITO面朝上，即为阳极层；

②旋涂阳极缓冲层

将预处理的导电玻璃置于旋涂仪上，且ITO面朝上；

将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸0.2mL±0.001mL置于导电玻璃上，开启旋涂仪，旋涂速率为3500r/min，旋涂时间60s；

旋涂后，将导电玻璃置于真空热处理炉中进行热处理，真空度6Pa，加热温度120℃，热处理时间10min；

旋涂后即为阳极缓冲层；

③旋涂有机活性层

配制旋涂液，称取聚{4,8双[(2乙基己基)氧]苯并二噻吩-[3-氟-2[2-乙基己基羧酸酯]噻吩[3,4-b]噻吩0.01g±0.001g、[6,6]-苯基C61丁酸甲酯0.15g±0.001g，其质量比为1:1.5，加入溶剂氯苯1mL±0.001mL，在烧杯中混合；然后置于超声波分散仪中超声分散混合，超声波频率40KHz，混合时间20min，成混合溶液；

将混合溶液置于阳极缓冲层上部，密闭旋涂仪，开启旋涂仪，开启真空泵，仪内真空度6Pa，旋涂速率1000r/min，旋涂时间60s；

旋涂后即为有机活性层；

④旋涂阴极缓冲层

配制旋涂液，称取碳点0.005g±0.001g、量取无水甲醇1mL±0.001mL，加入烧杯中；然后置于超声波分散仪中，进行超声分散混合，超声波频率40KHz，超声分散时间20min；分散后成0.0001g/mL的碳点旋涂液；

然后将碳点旋涂液0.15mL±0.001mL置于有机活性层上部，密闭旋涂仪；开启旋涂仪，开启真空泵，仪内真空度6Pa，旋涂速率2500r/min，旋涂时间60s；

旋涂后即为阴极缓冲层；

⑤蒸镀金属阴极层，即铝层

将旋涂了阴极缓冲层的导电玻璃置于真空蒸镀仪内顶部转盘上，阴极缓冲层朝下；

将铝2g±0.001g置于真空蒸镀仪内的底部靶台上；

密闭真空蒸镀仪，抽取仪内空气，使仪内压强达9×10^-5Pa，并恒定；

开启真空蒸镀仪内顶部转盘，转盘转速10r/min；

开启真空蒸镀仪内底部靶台的加热器，加热温度680℃；

铝在加热过程中进行形态转换，沉积在阴极缓冲层上部；

停止加热，冷却后即为金属阴极层；

⑥通过旋涂、蒸镀，即完成了太阳能电池板的制备；

(3)检测、分析、表征

对制备的用碳点做阴极缓冲层的太阳能电池板的形貌、发光性能进行检测、分析、表征；

用扫描电子显微镜进行层状结构分析；

用光谱仪进行发光性能分析；

结论：用碳点做阴极缓冲层的太阳能电池板为6层结构，以导电玻璃ITO为基层、阳极层，以碳点为阴极缓冲层，以铝为阴极层，可提高对电子的提取和传输能力，降低器件阻抗，能量转换效率高，具有耐湿性能，可阻抗水、氧侵蚀，稳定性好；

(4)产物储存

对制备的用碳点做阴极缓冲层的太阳能电池板要密闭避光储存，要防晒、防潮，储存温度20℃，相对湿度≤10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对太阳能电池光电转换效率低、稳定性差的情况，采用导电玻璃ITO做阳极层，有色金属铝做阴极层，增设了阴极缓冲层，先制备碳点，通过旋涂、蒸镀阳极缓冲层、有机活性层、阴极缓冲层、金属阴极层，制得太阳能电池板，提高了太阳能电池板对电子的提取和传输能力，降低了器件的阻抗，能量转换效率高，具有耐湿性能，可阻抗水、氧侵蚀，稳定性好，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，从制备碳点到太阳能电池板，可形成连续的工艺流程，是先进的用碳点做阴极缓冲层的太阳能电池板的制备方法。

附图说明

图1、太阳能电池板层状结构图

图2、旋涂太阳能电池板阴极缓冲层状态图

图3、蒸镀太阳能电池板阴极层状态图

图4、太阳能电池板在光照下电流密度与电压特性曲线和外量子效率响应曲线图

图中所示，附图标记清单如下：

1、旋涂仪，2、第一电控箱，3、第一仪盖，4、第一仪腔，5、转机，6、托盘，7、旋涂盘，8、太阳能电池板，9、第一显示屏，10、第一指示灯，11、第一电源开关，12、转机控制器，13、第一真空泵控制器，14、第一真空泵，15、第一真空阀，16、第一真空管，17、第一导线，18、碳点混合液，19、第二仪盖，20、第二仪腔，21、靶台，22、加热托盘，23铝靶，24、转盘，25、太阳能电池板，26、第二真空泵，27、第二真空阀，28、第二真空管，29、第二显示屏，30、第二指示灯，31、第二电源开关，32、转盘控制器，33、第二真空泵控制器，34、加热温度控制器，35、第二导线，36、真空蒸镀仪，37、第二电控箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、毫米、厘米³为计量单位。

图1所示，为太阳能电池板层状结构图，太阳能电池板为6层结构，第一层为导电玻璃层，即基层，导电玻璃上部ITO层为阳极层，阳极层上部为阳极缓冲层，阳极缓冲层上部为有机活性层，有机活性层上部为阴极缓冲层，即碳点层，阴极缓冲层上部为金属阴极层，即铝层。

图2所示，为旋涂太阳能电池板阴极缓冲层状态图，各部位置、连接关系要正确，按序操作。

旋涂仪为卧式，在旋涂仪1的下部为第一电控箱2、上部为第一仪盖3、内部为第一仪腔4；在第一仪腔4的中间部位设有转机5，在转机5上部连接托盘6，托盘6上部连接旋涂盘7，旋涂盘7上部中间位置置放太阳能电池板8，在太阳能电池板8上部为碳点混合液18；在旋涂仪1的左部设有第一真空泵14，第一真空泵14上部设有第一真空阀15、第一真空管16，并连通第一仪腔4；在第一电控箱2上设有第一显示屏9、第一指示灯10、第一电源开关11、转机控制器12、第一真空泵控制器13，第一电控箱2通过第一导线17与第一真空泵14连接。

图3所示，为蒸镀太阳能电池板阴极层状态图，各部位置、连接关系要做正确，按序操作。

真空蒸镀仪为立式，在真空蒸镀仪36的下部为第二电控箱37、上部为第二仪盖19、内部为第二仪腔20；在第二仪腔20的中间下部设有靶台21，在靶台21上部为加热托盘22，加热托盘22上部为铝靶23；在第二仪盖19内下部设有转盘24，在转盘24下部安装太阳能电池板25；在真空蒸镀仪36的右下部设有第二真空泵26，在第二真空泵26上部设有第二真空阀27、第二真空管28，并与第二仪腔20连通；在第二电控箱37上设有第二显示屏29、第二指示灯30、第二电源开关31、转盘控制器32、第二真空泵控制器33、加热温度控制器34；第二电控箱37通过第二导线35与第二真空泵26连接。

图4所示，为太阳能电池板在光照下电流密度与电压特性曲线和外量子效率相应曲线图，图中所示，a图为电流密度与电压特性曲线图，b图为外量子效率曲线图，器件的能量转换效率为6.85％。