CN101533894B - 喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，包括在柔性基片的阳极层上旋涂空穴传输层，打印活性层，沉积电子传输层和A]电极阴极几个步骤组成，创新点是活性层采用喷墨打印方法制备。本发明喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，提高了薄膜厚度的可控性和平滑性，同时提高了薄膜的致密性和均匀一致性，对比试验证明普通采用旋涂方法制备活性层，其光电转换效率为0.51％，而本发明采用喷墨打印的方法制备活性层所制备的电池器件的光电转换效率达到了2.2％，比对比实施例提高了三倍多。可以看出，利用喷墨打印的方法制备活性层，可以大幅提高聚合物太阳能电池的效率和工业生产效率，器件性能也得到明显的提高。

Description

喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法
技术领域
本发明涉及一类喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，属于有机聚合物异质结太阳能电池技术领域。
背景技术
有机聚合物异质结太阳能电池，因其制备简单、成本低廉、重量轻、可制成柔性器件等突出优点近年来受到广泛重视，而柔性衬底聚合物太阳能电池有着其独特而广泛的应用前景，如何提高聚合物太阳能电池的光电转换效率，达到柔性化和实用化要求，是目前柔性衬底聚合物太阳能电池领域亟待解决的关键问题。
作为电子给体和空穴传输体的共轭聚合物，聚噻吩类衍生物具有较高的空穴迁移率，并且可以通过简单的主链上的取代反应来修饰，低带隙值使聚合物的吸收可至近红外区，与太阳光谱相匹配，是聚合物太阳能电池中被广泛使用的电子给体材料，其中共轭聚合物/富勒烯太阳能电池近几年得到了快速发展。目前在柔性基片上广泛采用薄膜沉积和旋涂的方式涂布活性层聚合物薄膜P3HT:PCBM，从实验室规模的试验器件到真正意义上的大面积地沉积光伏模块，引入精密可行的加工技术是必需的。由于其潜在的高容量、低成本的加工优势，在有机电子技术中喷墨打印技术已引起相当的重视。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用喷墨打印技术在柔性衬底上实现聚合物太阳能电池的活性层制备的方法，以期在相对较低的温度条件下，用有限的物质和低造价制造有机太阳能电池。
本发明的目的是这样实现的：这种喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，其特征包括如下步骤：
A、旋涂空穴传输层：将刻蚀好的带ITO阳极的导电塑料基片(4)超声清洗并烘干，用旋涂方法将聚噻吩衍生物掺杂聚苯乙烯磺酸溶液PEDOT:PSS旋涂在基片上，进行氧离子处理5分钟，在80℃下加热2分钟，待PEDOT:PSS完全干燥后取出待用；
B、打印活性层聚合物薄膜P3HT:PCBM：选用聚噻吩共轭聚合物P3HT作为电子给体，富勒烯衍生物PCBM为电子受体按重量1∶1的比例混合，采用喷墨打印的方法在PEDOT:PSS空穴传输层之上打印活性层薄膜，薄膜厚度控制在90-180nm；
C、在活性层聚合物薄膜之上沉积LiF层：采用真空蒸镀的方法在活性层薄膜上沉积2.0nm的LiF层，真空度在5×10-4Pa；
D、真空蒸镀Al电极作为阴极：使用掩模板真空蒸镀Al电极层，厚度为100nm，蒸镀速度为0.03-0.06nm/s；
蒸完Al电极后的器件转移到手套箱中，在80℃热处理2分钟，冷却至室温后封装，得到柔性衬底聚合物薄膜太阳能电池。
所述喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，步骤B所述打印活性层聚合物薄膜的混合物P3HT:PCBM预先与氯苯按1∶1的体积比进行混合使其分散。
所述喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，步骤B所述打印活性层聚合物薄膜的打印机针孔喷射采用单液滴滴液(3)方式。
所述喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，步骤B所述打印活性层聚合物薄膜的方法中使用的打印机台面设置吸附微孔与真空泵连通，基片被吸附在台面上。
本发明喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，提高了薄膜厚度的可控性和平滑性，同时提高了薄膜的致密性和均匀一致性，对比试验证明普通采用旋涂方法制备活性层，其光电转换效率为0.51％，而本发明采用喷墨打印的方法制备活性层所制备的电池器件的光电转换效率达到了2.2％，比对比实施例提高了三倍多。可以看出，利用喷墨打印的方法制备活性层，可以大幅提高聚合物太阳能电池的效率和工业生产效率，器件性能得到明显的提高。
附图说明
图1是本发明喷墨打印方法示意图
图2是图1打印机台面真空吸附结构示意图
图中：1、打印机  2、打印墨盒  3、单液滴
      4、基片    5、台面      6、吸附微孔    7、真空泵
具体实施方式
本发明喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，包括在柔性基片的阳极层上旋涂空穴传输层，打印活性层，沉积电子传输层和Al电极阴极几个步骤组成，创新点是活性层采用喷墨打印方法制备。
如图1、图2所示活性层采用DimatixDMP-2831压电陶瓷型材料打印机(美Dimatix公司)进行喷墨打印。聚合物薄膜P3HT:PCBM按重量1∶1的比例制成混合溶液，为了防止打印堵塞，这些混合物再与氯苯按1∶1的体积进行混合使其分散。打印机针孔喷射的液滴控制是通过墨水腔中的电压脉冲致动器使液滴滴落，采用单液滴滴液方式，活性层薄膜厚度控制在120nm。为了控制打印精确度，防止基片4移动，本发明在打印机台面下方设置了真空吸附机构，具体技术方案是打印机台面5上设置均布的吸附微孔6，台面下设置真空泵7与吸附微孔相连通。
下面通过本发明喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法以及普通旋涂活性层制备的对比例，详细说明本发明的制备方法和技术优势。
实施例1：
A、旋涂空穴传输层：将刻蚀好的带ITO阳极的导电塑料基片4超声清洗并烘干，用旋涂的方法将聚噻吩衍生物掺杂聚苯乙烯磺酸溶液PEDOT：PSS(厂家：Aldrich.LTD)旋涂在其上，转速为2000r/min，厚度约为30nm，先用DHX-11A型氧离子净化处理器进行氧离子处理5分钟，然后将它们拿到干燥箱中加热，在80℃的温度下加热2分钟，待PEDOT:PSS完全干燥后取出待用；
B、打印活性层聚合物薄膜P3HT:PCBM：选用聚噻吩共轭聚合物P3HT作为电子给体，富勒烯衍生物PCBM为电子受体按重量1∶1的比例混合(厂家Fosul Material.LTD)，采用Dimatix DMP-2831压电陶瓷型材料打印机(美Dimatix公司)进行喷墨打印的方法制成的，为了防止打印堵塞，再与氯苯按1∶1的体积进行混合使其分散。打印机针孔喷射的液滴控制是通过墨水腔中的电压脉冲致动器使液滴滴落，采用单液滴滴液方式喷墨打印，活性层薄膜厚度控制在120nm；
C、在活性层聚合物薄膜之上沉积LiF层：将上述样品放入真空镀膜机中，采用真空蒸镀的方法在活性层薄膜上沉积2.0nm的LiF层，真空度在5×10-4Pa；
D、真空蒸镀Al电极作为阴极：使用掩模板(器件的有效面积是4×4mm2)，真空蒸镀Al电极层，厚度为100nm，蒸镀速度为0.03-0.06nm/s；
蒸完Al电极后的器件转移到手套箱中，在80℃热处理2分钟，令却至室温后封装，得到柔性衬底聚合物薄膜太阳能电池。
实施例2：
制备方法同实施例1，喷墨打印活性层薄膜厚度控制在160nm。
实施例3：
制备方法同实施例1，喷墨打印活性层薄膜厚度控制在180nm。
实施例4：
制备方法同实施例1，喷墨打印活性层薄膜厚度控制在90nm。
对比实施例5：
A、旋涂空穴传输层：与实施例相同；
B、旋涂活性层聚合物薄膜P3HT:PCBM活性层聚合物薄膜P3HT:PCBM(厂家Fosul Material.LTD)是通过对按重量1∶1的比例混合成的，P3HT:PCBM混合物采用旋涂的方法成膜，转速为2000r/min，活性层薄膜厚度控制在150nm；
C、D、与实施例1相同。
对比实验：在100mW/cm2氙灯照射下测试本方法制备的聚合物太阳能电池的性能，包括开路电压、短路电流、能量转换效率。表1是对比实施例5、实施例1和实施例2在100mW/cm2模拟太阳光照射下电池的性能参数。对比实施例5采用旋涂方法制备活性层，其光电转换效率为0.51％，而实施例1采用喷墨打印的方法制备活性层所制备的电池器件的光电转换效率达到了2.2％，比对比实施例5提高了三倍多。可以看出，利用喷墨打印的方法制备活性层，可以大幅提高聚合物太阳能电池的效率。
本发明喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法可用于柔性衬底聚合物太阳能电池的卷对卷大面积制备。
表1  100mW/cm2氙灯照射下电池的性能参数对比
Figure G2009100741421D00061
本发明列举的实施例旨在更进一步地阐明这种喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法及应用方向，而不对本发明的保护范围构成任何限制。

Claims (3)

1.喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，其特征包括如下步骤：
A、旋涂空穴传输层：将刻蚀好的带ITO阳极的导电塑料基片(4)超声清洗并烘干，用旋涂方法将聚噻吩衍生物掺杂聚苯乙烯磺酸溶液PEDOT:PSS旋涂在基片(4)上，进行氧离子处理5分钟，在80℃下加热2分钟，待PEDOT:PSS完全干燥后取出待用；
B、打印活性层聚合物薄膜P3HT:PCBM：选用聚噻吩共轭聚合物P3HT作为电子给体，富勒烯衍生物PCBM为电子受体按重量1∶1的比例混合，采用喷墨打印的方法在PEDOT:PSS空穴传输层之上打印活性层薄膜，薄膜厚度控制在90-180nm；使用的打印机(1)台面(5)设置吸附微孔(6)与真空泵(7)连通，基片(4)被吸附在台面上；
C、在活性层聚合物薄膜之上沉积LiF层：采用真空蒸镀的方法在活性层薄膜上沉积2.0nm的LiF层，真空度在5×10-4Pa；
D、真空蒸镀Al电极作为阴极：使用掩模板真空蒸镀Al电极层，厚度为100nm，蒸镀速度为0.03-0.06nm/s；
蒸完Al电极后的器件转移到手套箱中，在80℃热处理2分钟，冷却至室温后封装，得到柔性衬底聚合物薄膜太阳能电池。
2.根据权利要求1所述喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，其特征包括：步骤B所述打印活性层聚合物薄膜的混合物P3HT:PCBM预先与氯苯按1∶1的体积比进行混合使其分散。
3.根据权利要求1所述喷墨打印活性层的柔性聚合物太阳能电池制备方法，其特征包括：步骤B所述打印活性层聚合物薄膜的打印机针孔喷射采用单液滴滴液(3)方式。
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