一种基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于有机太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的快速方法。
【背景技术】
[0002]近年来，有机太阳能电池因为其特有的优点，例如柔性、成本低、可弯曲等优点已经开始取代无机Si电池越来越多的进入实验研究领域，然而对于叠层型有机太阳能电池制造过程中，制备空穴传输层(如MoO3, LiF)及电极(Au，Ag，AL)过程中需要采用真空蒸镀的方法，这不仅增加了器件制造时间，不利于大规模商业化生产，而且使器件成本有所增加，本发明旨在提供一种有效的方法快速制备有机太阳能电池，该方法基于全溶液过程，不仅大大减少了制作时间，而且节约成本，可以真正用于全过程流水线大面积印刷生产，有利于有机太阳能电池的大面积推广使用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种基于全过程印刷生产有机太阳能电池的方法。具体涉及的器件采用正型结构，该方法全部过程不涉及真空蒸镀等方法，整个电池制备过程仅涉及全溶液，可流水线生产使用，全部薄膜均由旋涂工艺实现。制备过程简单，易于控制，可以进行有机太阳能电池大面积印刷生产，有利于有机太阳能电池的大规模商业化推广使用。
[0004]本发明所制备的有机太阳能电池，其器件结构，自上而下依次为ITO衬底，MoO3空穴传输层，活性层，聚乙烯亚胺(PEI)电子传输层、Ag电极组成，即结构为IT0/Mc)03/PCDTBT:PCBM/PEI/Ag0
[0005]本发明中选用商用型ITO导电玻璃，采用水热方法制备MoO3空穴传输层，采用旋转涂覆法制备共混体系活性层，采用旋转涂覆方法制备PEI电子传输层，采用印刷技术制备Ag电极。
[0006]本发明所述快速制备基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的方法，其步骤如下:
[0007]I)衬底清洗
[0008]将ITO导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10?20分钟，氮气吹干后再紫外臭氧处理10?20分钟；
[0009]2) MoO3 制备
[0010]采用水热方法在ITO表面制备一层MoO3薄膜，其具体过程包括:20?30°C下，首先，将钼酸铵((NH4)6Mo7O24)溶于I?5mL水配置成0.005?0.03moL/L的溶液；然后将浓盐酸进行稀释，配置成I?3moL/L的水溶液，再将配置好的盐酸水溶液逐滴加入到MoOyK溶液中，滴加过程中不断搅拌，直至pH = I?1.5，制备得到MoO3水溶液；
[0011]利用旋转涂覆法将Mo(VK溶液以2000?3000转每秒的转速旋涂在ITO表面，然后在150?200°C退火5?20分钟；便得到MoO3空穴传输层，厚度为5?10nm。
[0012]3)活性层制备
[0013]利用旋转涂覆法在空穴传输层表面制备一层活性层，这里活性层可选择PCDTBT:PC70BM, PSBTBT =PC70BM, P3HT:PC6QBM 等，这里以 PCDTBT:PC7QBM 为例，两者按照质量比 1:4 的比例溶于有机溶剂(这里采用1-2- 二氯苯、氯仿、甲苯或四氢呋喃)配置成5?10mg/mL的溶液，在避光条件下搅拌30?60h，然后在MoO3表面以1000?3000转每秒的速度旋涂一层活性层，在氮气保护作用下50?100°C退火10?30min，从而制备得到厚度为300?400nm的活性层。
[0014]4)电子传输层制备
[0015]本发明中采用PEI作为电子传输层，采用旋转涂覆方法制备。将PEI溶于甲醇溶液，配制成0.5?2moL/mL的溶液，将溶液以3000?5000转每秒的转速旋涂在活性层表面，然后在50?100°C退火5?20min，制备出厚度为5?1nm的电子传输层。
[0016]5) Ag电极制备
[0017]本发明中采用印刷技术制备Ag电极，采用银浆作为原料。在制备好的电子传输层表面直接刷涂一层银浆作为电极，电极层的厚度为80?200nm。
【附图说明】
[0018]图1:本发明所述有机太阳能电池的结构不意图；
[0019]图2:本发明所述有机太阳能电池的J-V特性图。
[0020]如图1所示，11为ITO导电玻璃衬底，12为MoO3空穴传输层、13为活性层、14为PEI电子传输层、15为Ag电极。
[0021]如图2所示，为有机太阳能电池的J-V特性图，A为该方法制备器件，B为其他传统方法(Surface Plasmon resonance enhanced polymer solar cells by thermallyevaporating Au into buffer layer, ACS Appl.Mater.1nterfaces, 2015, 7, 18866.)制备器件，由图可以看出该方法制备的器件具有较好的开路电压、短路电流，并且通过对比J-V曲线可以看出器件具有较高的填充因子。
【具体实施方式】
[0022](I)将商业化的ITO导电玻璃放入烧杯，依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗15分钟，清洗过后的ITO采用氮气枪吹干，采用紫外臭氧处理15分钟，放入培养皿中待用。
[0023](2)采用水热方法在ITO表面制备一层MoO3薄膜，其具体过程为:室温25°C下，首先，将钼酸铵((NH4)6Mo7O24)溶于ImL水配置成0.01moL/L的溶液，然后对浓盐酸进行稀释，配置成2moL/L的水溶液待用。然后将配置好的盐酸溶液逐滴加入到MoO3水溶液中，滴加过程中不断进行搅拌，直到PH= I左右，便制备出此03水溶液。利用旋转涂覆法将MoO 3水溶液以3000转每秒的转速旋涂在ITO表面，然后在160°C退火10分钟，于是便得到MoO3S穴伟输层，Mo(Vi#输层厚度约为10nm。
[0024](3)利用旋转涂覆法在空穴传输层表面制备一层活性层，这里以P⑶TBT:PC7QBM为例，两者按照质量比1:4的比例溶于1-2-二氯苯配置成7mg/mL:28mg/mL的溶液，在避光条件下搅拌48h，然后在MoO3表面以2000转每秒的速度旋涂一层活性层，在氮气保护作用下70°C退火20min。制备出活性层待用，实验制得活性层厚度约为300nm。
[0025](4)本发明中采用PEI作为电子传输层，采用旋转涂覆方法制备。将PEI溶于甲醇溶液，配制成ImoL/mL的溶液，将溶液以4000转每秒的转速旋涂在活性层表面70°C退火lOmin，制备出厚度约为8nm的电子传输层。
[0026](5)本发明中采用印刷技术制备Ag电极，采用银浆作为原料。在制备好的电子传输层表面直接刷涂一层银浆作为电极，电极层的厚度约为lOOnm。
【主权项】
1.一种基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的方法，其步骤如下: 1)衬底清洗 将ITO导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10?20分钟，氮气吹干后再紫外臭氧处理10?20分钟； 2)MoO3空穴传输层的制备 20?30°C下，将钼酸铵((NH4)6Mo7O24)溶于I?5mL水配置成0.005?0.03moL/L的溶液；然后将盐酸水溶液逐滴加入到M0OyK溶液中，滴加过程中不断搅拌，直至pH = I?1.5，制备得到MoO3水溶液； 利用旋转涂覆法将M0OyK溶液以2000?3000转每秒的转速旋涂在ITO表面，然后在150?200°C退火5?20分钟，得到MoO3空穴传输层； 3)活性层的制备 将活性层材料溶于有机溶剂配置成5?10mg/mL的溶液，在避光条件下搅拌30?60h，然后以1000?3000转每秒的转速将活性层溶液旋涂在MoO3表面，在氮气保护下50?100°C退火10?30min，制备出活性层； 4)电子传输层制备 将PEI溶于甲醇溶液，配制成0.5?2moL/mL的溶液，将溶液以3000?5000转每秒的转速旋涂在活性层表面，然后在50?100°C退火5?20min，制备出电子传输层； 5)Ag电极制备 在电子传输层表面刷涂一层银浆作为电极，从而得到有机太阳能电池。2.如权利要求1所述的一种基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的方法，其特征在于:步骤2)中是将浓盐酸进行稀释，配置成I?3moL/L的水溶液，再将配置好的盐酸水溶液逐滴加入到MoO3水溶液中。3.如权利要求1所述的一种基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的方法，其特征在于:步骤 3)中的活性层材料为 PCDTBT:PC7QBM、PSBTBT:PC70BM 或 P3HT:PC6QBM。4.如权利要求3所述的一种基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的方法，其特征在于:是将PCDTBT和PC7QBM、PSBTBT和PC7qBM或P3HT和PC6qBM按照质量比1:4的比例溶于有机溶剂配置成5?10mg/mL的溶液，然后在避光条件下搅拌30?60h。5.如权利要求1所述的一种基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的方法，其特征在于:步骤3)中的有机溶剂为1-2-二氯苯、氯仿、甲苯或四氢呋喃。
【专利摘要】一种基于全过程印刷生产制备有机太阳能电池的方法，属于聚合物有机太阳能电池制造领域。具体涉及的器件采用正型结构，具体包括：采用水热法在ITO表面制备一层MoO3作为空穴传输层，在已经制备好的空穴传输层表面利用旋转涂覆法制作活性层，然后在活性层表面利用旋转涂覆法制备PEI电子传输层，最后在器件表面刷涂银浆作为电极。该方法全部过程不涉及真空蒸镀等步骤，制备过程简单，易于控制，可以进行有机太阳能电池大面积印刷生产，有利于有机太阳能电池的大规模民用化推广。制备的器件具有较好的开路电压、短路电流，并且通过对比J-V曲线可以看出器件具有较高的填充因子。
【IPC分类】H01L51/48, H01L51/42
【公开号】CN105161624
【申请号】CN201510593983
【发明人】郭文滨, 李质奇, 沈亮, 周敬然, 温善鹏, 董玮, 阮圣平, 张歆东
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月18日