CN102544381A - 制备有机太阳能电池的方法及制备其薄膜的装置 - Google Patents
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Abstract
制备有机太阳能电池的方法及制备其薄膜的装置，属于有机光伏技术领域。解决了制备过程中有机材料浪费严重、所制薄膜致密性差的问题。制备薄膜的方法包括：把浓度分别为2～15mg/ml的聚三己基噻酚∶富勒烯衍生物或2-甲氧基-5-(2’-乙基己氧基)-1，4-对苯乙炔∶富勒烯衍生物的氯仿溶液，倒入溶液池(4)中；使ITO玻璃衬底(1)沿竖直方向以速率1～3mm/s匀速接近有机溶液，直至浸入溶液中；浸泡10～30秒，再沿竖直方向以1～2mm/s速度离开溶液表面，将ITO玻璃衬底(1)从水平方向放置调整为竖直方向放置7～10min，得到有机太阳能电池薄膜。比传统的制备工艺节约了大量原料，绿色低碳，大大提高了制备效率，操作简便易行，可用于大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于有机光伏技术领域有机太阳能电池的构造与制备，具体涉及一种有机太阳能电池的方法及制备其薄膜的装置。
背景技术
太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，但是如何将太阳能转化为其他形式的能量并存储起来成为一个关键问题。太阳能电池是一种将太阳能直接转化为电能的装置，目前太阳能电池主要可以分为无机太阳能电池和有机太阳能电池两大种类。无机太阳能电池的光电转化效率高，但其生产工艺复杂，材料价格昂贵难以大面积推广使用。有机太阳能电池具备制备工艺简单、合成较容易，材料价格低廉、制备过程中无污染、可制备于柔性衬底等诸多优点，从而成为关注重点和研究热点。近年来随着研究不断深入，其能量转化效率快速提升，目前报道的聚合物太阳能电池最高转换效率已经超过9％。有机太阳能电池是未来发展的趋势，它在光伏市场上将扮演越来越重要的角色，并最终成为市场的主导。
在有机太阳能电池中有源层吸收光子转化为激子，激子的扩散距离大概只有10nm左右，而有源层的厚度又决定着其对太阳光的吸收能力，因此必须制备出致密的超薄有源层，在增大吸收的同时又不至于使激子大量猝灭。由旋涂、蒸镀、喷墨等方法制备出的薄膜都不够致密，需要经过后期处理来提高致密度，并且这些方法都严重浪费材料。以旋涂法为例，制备过程中有超过2/3都将被甩离ITO玻璃衬底，最终留下的不到原溶液的1/3。浸渍涂覆法制备过程中，需要大量的有机溶液才能使ITO玻璃衬底完全浸入其中，造成了原料的极大浪费；而且此方法将ITO玻璃衬底的双面都制备了有机薄膜，这不仅浪费了原料，也会导致使用时难以识别有效面，而且在实际应用时无效面的薄膜还会影响ITO衬底的透光性，对器件的性能造成了极大影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，有机薄膜制备过程中有机材料浪费严重、所制薄膜致密性差的问题。提供一种制备有机太阳能电池的方法及制备其薄膜的装置。
本发明的技术方案：
一种制备电池薄膜的装置，该装置包括：衬底支架、马达、溶液池、牵引绳、牵引轮。
牵引轮固定在马达轴上，牵引绳的一端固定并绕在牵引轮上，牵引绳的另一端与衬底支架连接；
衬底支架置于溶液池的上方。
一种制备有机太阳能电池的方法，该制备方法包括：
步骤一将清洗干净的ITO玻璃衬底用氮气吹干，并紫外臭氧处理10min；
步骤二制备有机太阳能电池薄膜；
步骤三蒸镀Al电极后，置于120℃的加热台上，退火处理10min，制得有机太阳能电池；
所述的步骤二中，制备有机太阳能电池薄膜的方法包括：
步骤一把浓度分别为2～15mg/ml的聚三己基噻酚∶富勒烯衍生物或2-甲氧基-5-(2’-乙基己氧基)-1，4-对苯乙炔∶富勒烯衍生物的氯仿溶液，按配比为0.5∶1～1∶0.5制成的有机溶液倒入溶液池中；
步骤二将清洗干净的ITO玻璃衬底固定在水平放置的衬底支架上，且使ITO面朝下；
步骤三启动马达，使ITO玻璃衬底沿竖直方向以速率1～3mm/s匀速接近有机溶液，直到ITO面浸入溶液池的溶液中；
步骤四保持静止浸泡状态10～30秒，再通过马达带动衬底支架使ITO玻璃衬底沿竖直方向以1～2mm/s速度离开溶液表面；
步骤五当ITO玻璃衬底完全从溶液中脱离后，将ITO玻璃衬底从水平方向放置调整为竖直方向放置，保持静止7～10min，使溶剂自然蒸发，得到有机太阳能电池薄膜。
本发明的有益效果：
本发明采用了竖直浸入的方式制备有机薄膜。其中清洗干净的ITO玻璃衬底平面与其运动方向互相垂直。这样，溶液池中只需极少量的有机溶液即可完成与ITO玻璃衬底的大面积接触，制备效率大大提高，同时节约了原料溶液，避免了资源的浪费。在马达带动衬底支架的控制下，ITO玻璃衬底可与有机溶液充分而均匀地接触，提高了所制备有机薄膜的稳定性。发明所述的方式制备有机薄膜，比传统的制备工艺节约了大量原料，绿色低碳，大大提高了制备效率，操作简便易行，可用于大规模工业化生产。
附图说明
图1制备有机太阳能电池薄膜的装置。
图中：ITO玻璃衬底1、衬底支架2、马达3、溶液池4、牵引绳5、牵引轮6。
图2.在不同聚三己基噻酚、富勒烯衍生物浓度下制备的有机太阳能电池在光照下获得的电流密度-电压曲线。
图中：聚三己基噻酚、富勒烯衍生物浓度分别为2mg/ml，配比为1∶1(实心正方形曲线)；聚三己基噻酚、富勒烯衍生物浓度分别为5mg/ml配比为1∶1(实心五角星曲线)；聚三己基噻酚、富勒烯衍生物浓度分别为10mg/ml配比为1∶1(实心菱形曲线)；聚三己基噻酚、富勒烯衍生物浓度分别为2mg/ml配比为1∶1(实心三角形曲线)。
具体实施方式
制备有机太阳能电池薄膜的装置，该装置包括：衬底支架2、马达3、溶液池4、牵引绳5、牵引轮6。
牵引轮6固定在马达3轴上，牵引绳5的一端固定并绕在牵引轮6上，牵引绳5的另一端与衬底支架2连接；衬底支架2置于溶液池4的上方。
一种制备有机太阳能电池的方法之一，该制备方法包括：
步骤一将ITO玻璃衬底1依次浸泡于丙酮、乙醇、去离子水溶液中，用超声波清洗仪清洗。清洗干净后用氮气吹干，将干燥的ITO玻璃衬底表面用紫外臭氧(氧等离子体)处理10min；
步骤二在步骤一处理后的ITO玻璃衬底1上，制备有机太阳能电池薄膜；
步骤三将制得有机太阳能电池薄膜的ITO玻璃衬底1放置在真空腔中的衬底支架的凹槽中，并将Al放置在真空腔中的蒸发源中；
对真空腔抽真空，使真空度达到10-5帕；
使ITO玻璃衬底1旋转速率为0.25转/秒；
加热蒸发源，控制蒸发速率为0.2纳米/秒，制得厚度为100纳米的Al电极；
蒸镀Al电极后，将器件置于120℃的加热台上，退火处理10min，制得有机太阳能电池。
所述的步骤二中，制备有机太阳能电池薄膜的方法包括：
步骤一把浓度分别为2mg/ml的聚三己基噻酚∶富勒烯衍生物(P3HT∶PCBM)的氯仿溶液，按质量配比为0.5∶1均匀混合制成的有机溶液倒入溶液池4中；
步骤二将清洗干净的ITO玻璃衬底1固定在水平放置的衬底支架2上，且使ITO面朝下；
步骤三启动马达3，使ITO玻璃衬底1沿竖直方向以速率1mm/s匀速接近有机溶液，直到ITO面浸入溶液池4的溶液中；
步骤四保持静止浸泡状态10秒，再通过马达3带动衬底支架2使ITO玻璃衬底1沿竖直方向以1mm/s速度离开溶液表面；
步骤五当ITO玻璃衬底1完全从溶液中脱离后，将ITO玻璃衬底1从水平方向放置调整为竖直方向放置，保持静止7min，使溶剂自然蒸发，得到有机太阳能电池薄膜，厚度为200nm。
一种制备有机太阳能电池的方法之二，该制备方法包括：
步骤一将ITO玻璃衬底1依次浸泡于丙酮、乙醇、去离子水溶液中，用超声波清洗仪清洗。清洗干净后用氮气吹干，将干燥的ITO玻璃衬底表面用紫外臭氧(氧等离子体)处理10min；
步骤二在步骤一处理后的ITO玻璃衬底1上，制备有机太阳能电池薄膜；
步骤三将制得有机太阳能电池薄膜的ITO玻璃衬底1放置在真空腔中的衬底支架的凹槽中，并将Al放置在真空腔中的蒸发源中；
对真空腔抽真空，使真空度达到10-5帕；
使ITO玻璃衬底1旋转速率为0.25转/秒；
加热蒸发源，控制蒸发速率为0.2纳米/秒，制得厚度为100纳米的Al电极；
蒸镀Al电极后，将器件置于120℃的加热台上，退火处理10min，制得有机太阳能电池。
所述的步骤二中，制备有机太阳能电池薄膜的方法包括：
步骤一把浓度分别为15mg/ml的2-甲氧基-5-2’-乙基己氧基-1，4-对苯乙炔∶富勒烯衍生物(MEH-PPV∶PCBM)的氯仿溶液，按质量配比为1∶0.5均匀混合制成的有机溶液倒入溶液池4中；
步骤二将清洗干净的ITO玻璃衬底1固定在水平放置的衬底支架2上，且使ITO面朝下；
步骤三启动马达3，使ITO玻璃衬底1沿竖直方向以速率3mm/s匀速接近有机溶液，直到ITO面浸入溶液池4的溶液中；
步骤四保持静止浸泡状态30秒，再通过马达3带动衬底支架2使ITO玻璃衬底1沿竖直方向以2mm/s速度离开溶液表面；
步骤五当ITO玻璃衬底1完全从溶液中脱离后，将ITO玻璃衬底1从水平方向放置调整为竖直方向放置，保持静止10min，使溶剂自然蒸发，得到有机太阳能电池薄膜，厚度为150nm。
图2为在四种不同的聚三己基噻酚、富勒烯衍生物氯仿溶液的浓度条件下制备的有机太阳能电池，在光照下获得的电流密度-电压曲线。采用本专利所叙述的方法制备的4种有机太阳能电池都显示了一定的光伏特性。当外加电压为零时，回路中会产生1.5～4mA/cm2不等的电流；当回路中电流为零时，开路电压均为0.6V。
Claims (2)
1.一种制备有机太阳能电池薄膜的装置，其特征是，该装置包括：衬底支架(2)、马达(3)、溶液池(4)、牵引绳(5)、牵引轮(6)；
牵引轮(6)固定在马达(3)轴上，牵引绳(5)的一端固定并绕在牵引轮(6)上，牵引绳(5)的另一端与衬底支架(2)连接；
衬底支架(2)置于溶液池(4)的上方。
2.一种制备有机太阳能电池的方法，该制备方法包括：
步骤一将清洗干净的ITO玻璃衬底用氮气吹干，并紫外臭氧处理10min；
步骤二制备有机太阳能电池薄膜；
步骤三蒸镀Al电极，之后，置于120℃的加热台上，退火处理10min，制得有机太阳能电池；
其特征是，所述的步骤二中，制备有机太阳能电池薄膜的方法包括：
步骤一把浓度分别为2～15mg/ml的聚三己基噻酚∶富勒烯衍生物或2-甲氧基-5-(2’-乙基己氧基)-1，4-对苯乙炔∶富勒烯衍生物的氯仿溶液，按配比为0.5∶1～1∶0.5制成的有机溶液倒入溶液池(4)中；
步骤二将清洗干净的ITO玻璃衬底(1)固定在水平放置的衬底支架(2)上，且使ITO面朝下；
步骤三启动马达(3)，使ITO玻璃衬底(1)沿竖直方向以速率1～3mm/s匀速接近有机溶液，直到ITO面浸入溶液池(4)的溶液中；
步骤四保持静止浸泡状态10～30秒，再通过马达(3)带动衬底支架(2)使ITO玻璃衬底(1)沿竖直方向以1～2mm/s速度离开溶液表面；
步骤五当ITO玻璃衬底(1)完全从溶液中脱离后，将ITO玻璃衬底(1)从水平方向放置调整为竖直方向放置，保持静止7～10min，使溶剂自然蒸发，得到有机太阳能电池薄膜。
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