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与流程

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。

技术实现要素：

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B_is-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。