CN104465842B - 一种线状可弯曲太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种线状可弯曲太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种线状可弯曲太阳能电池，由里向外依次为光纤、透明导电薄膜、ZnO纳米线阵列膜、光活性聚合物层以及金属层。一种线状可弯曲太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：采用无电沉积法在光纤表面生长AZO薄膜；采用水热法在覆AZO薄膜光纤表面生长ZnO纳米线阵列膜；采用浸涂法在覆ZnO纳米线阵列膜光纤表面制备P3HT:PCBM层；采用热蒸发法在覆P3HT:PCBM层光纤表面蒸镀Al、Ag、Au、Ca或Li金属层。本发明所述线状可弯曲太阳能电池具有柔性和可编制性，可编制成衣服或者帐篷等织物作为便携式供电设备，具有十分广阔的应用前景。

Description

一种线状可弯曲太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于有机太阳能电池技术领域，具体是一种线状可弯曲太阳能电池及其制备方法。
背景技术
聚合物太阳能电池由于其具有材料来源丰富、生产工艺简单、成本低廉等优势，引起人们的广泛关注。然而在传统的聚合物太阳能电池的制备中，由于基底材料的限制，一般电池形态都为硬性平板式。这种刚性衬底具有良好的导电性和机械强度，在太阳能电池发展初期的一段相当长的时间内，导电玻璃和金属板都被普遍的应用。但是随着效率的逐步提高和基于不同材料体系的电池的出现，传统平板刚性衬底的局限性逐渐显现出来，这种衬底对入射光的角度有一定的要求，并且入射光只与太阳能电池发生一次作用，所以太阳光的利用率很低。同时，衬底材料质量重，体积大而且易碎，为运输带来不便，限制了它只能在地面上的应用，阻碍了太阳能电池在诸多领域的应用。因此，开发一种柔性衬底的聚合物太阳能电池有十分的必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、太阳光利用率高的线状可弯曲太阳能电池及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案，
一种线状可弯曲太阳能电池，由里向外依次为光纤、透明导电薄膜、ZnO纳米线阵列膜、光活性聚合物层以及金属层。
所述的光纤为石英光纤或者塑料光纤，直径为100nm～1500nm。
所述的透明导电薄膜为AZO薄膜，厚度为100～1000nm。
所述的ZnO纳米线阵列膜的厚度为200～1500nm。
所述的光活性聚合物层为P3HT:PCBM或PEDOT:PSS，厚度为200～1000nm。
所述的金属层为Al、Ag、Au、Ca或Li，厚度为10～200nm。
一种线状可弯曲太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1、采用无电沉积法在光纤表面生长AZO薄膜；
(1)将光纤置于丙酮超声波清洗5～10min，再置于去离子水中超声波清洗5～10min，
(2)依次浸入含有20～60g/L SnCl2、0.5～2g/L[Ag(NH3)2]OH和0.1～0.3g/LPdCl2的活化溶液中各5～10min，使得Pd粒子吸附在光纤上，得到活化光纤；
(3)将活化光纤再浸入含有0.01～0.1mol/L Zn(NO3)2、0.0005～0.005mol/L Al(NO3)3和0.01～0.03mol/L二甲氨基硼烷的生长溶液中，生长溶液温度为70～90℃，浸入时间为1.5～3h，然后取出用去离子水冲洗，在室温下晾干，得到覆AZO薄膜光纤；
2、采用水热法在覆AZO薄膜光纤表面生长ZnO纳米线阵列膜；
将所述覆AZO薄膜光纤置于含有10～30mmol/L Zn(NO3)2、10～30mmol/L六亚甲基四胺和3～10mmol/L聚乙烯亚胺的混合溶液中，混合溶液的温度为80～100℃，反应时间为15～25h，然后取出用去离子水清洗，再在N2气流中干燥，得到覆ZnO纳米线阵列膜光纤；
3、采用浸涂法在覆ZnO纳米线阵列膜光纤表面制备P3HT:PCBM层；
将覆ZnO纳米线阵列膜光纤浸入温度为80～120℃的浸涂溶液中，搅拌2～3h后取出，待溶剂挥发，得到覆P3HT:PCBM层光纤；所述浸涂溶液为P3HT和PCBM的二氯苯溶液，在浸涂溶液中，P3HT的浓度为5～30mg/mL，PCBM的浓度为5～30mg/mL。
5、采用热蒸发法在覆P3HT:PCBM层光纤表面蒸镀Al、Ag、Au、Ca或Li金属层；工艺参数如下：轰击电流为0.5～1A，衬底温度为25～50℃，真空度为1～5×10-4pa，蒸镀时间2～5min，得到线状可弯曲太阳能电池。
所述浸涂法得到的P3HT:PCBM层厚度为200～500nm。
所述热蒸发法得到的金属层厚度为10～50nm。
所述水热法得到的ZnO纳米线阵列膜厚度为500～1000nm。
工作原理及过程：
太阳光从光纤一端沿轴向导入，入射光可在光纤内多次反射，光活性聚合物中的电子给体聚合物P3HT吸收光能后产生激子；激子扩散至并在P3HT/PCBM或者P3HT/ZnO的界面处分离为自由电子和空穴；ZnO纳米线阵列膜作为器件的电子传输层，可将P3HT:PCBM活性层中产生的电子传输至透明导电电极，同时空穴传输至金属电极，在外电路形成电流。
另外，所述AZO为铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃的简称。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用光纤作为衬底和导光介质，当太阳光从光纤一端射入，入射光可在光纤内发生多次全反射，从而可与光活性聚合物层多次发生作用，增加了对太阳光的吸收以及光生载流子的输运效率，提高了太阳能电池的性能；同时，光纤也可作为信号传输的端口，为未来设计出一体式光电信号探测和转换装置提供了可能；
(2)线状可弯曲太阳能电池具有柔性和可编制性，可编制成衣服或者帐篷等织物作为便携式供电设备，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述线状可弯曲太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明所述线状可弯曲太阳能电池的截面示意图。
图3是本发明所述线状可弯曲太阳能电池的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种线状可弯曲太阳能电池，由里向外依次为光纤、透明导电薄膜、ZnO纳米线阵列膜、光活性聚合物层以及金属层。
所述的光纤为石英光纤，直径为100nm。
所述的透明导电薄膜为AZO薄膜，厚度为100nm。
所述的ZnO纳米线阵列膜的厚度为300nm。
所述的光活性聚合物层为P3HT:PCBM，厚度为500nm。
所述的金属层为Al，厚度为20nm。
实施例2
一种线状可弯曲太阳能电池，由里向外依次为光纤、透明导电薄膜、ZnO纳米线阵列膜、光活性聚合物层以及金属层。
所述的光纤为塑料光纤，直径为500nm。
所述的透明导电薄膜为AZO薄膜，厚度为100nm。
所述的ZnO纳米线阵列膜的厚度为600nm。
所述的光活性聚合物层为PEDOT:PSS，厚度为800nm。
所述的金属层为Ag，厚度为50nm。
实施例3
一种线状可弯曲太阳能电池，由里向外依次为光纤、透明导电薄膜、ZnO纳米线阵列膜、光活性聚合物层以及金属层。
所述的光纤为塑料光纤，直径为1000nm。
所述的透明导电薄膜为AZO薄膜，厚度为300nm。
所述的ZnO纳米线阵列膜的厚度为900nm。
所述的光活性聚合物层为P3HT:PCBM，厚度为1000nm。
所述的金属层为Au，厚度为10nm。
实施例4
一种线状可弯曲太阳能电池，由里向外依次为光纤、透明导电薄膜、ZnO纳米线阵列膜、光活性聚合物层以及金属层。
所述的光纤为石英光纤，直径为1500nm。
所述的透明导电薄膜为AZO薄膜，厚度为1000nm。
所述的ZnO纳米线阵列膜的厚度为1000nm。
所述的光活性聚合物层为PEDOT:PSS，厚度为1000nm。
所述的金属层为Ca，厚度为100nm。
实施例5
一种线状可弯曲太阳能电池，由里向外依次为光纤、透明导电薄膜、ZnO纳米线阵列膜、光活性聚合物层以及金属层。
所述的光纤为石英光纤，直径为750nm。
所述的透明导电薄膜为AZO薄膜，厚度为500nm。
所述的ZnO纳米线阵列膜的厚度为500nm。
所述的光活性聚合物层为P3HT:PCBM，厚度为1000nm。
所述的金属层为Li，厚度为30nm。
实施例6
本实施例为本发明所述的线状可弯曲太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1、采用无电沉积法在光纤表面生长AZO薄膜；
(1)将光纤置于丙酮超声波清洗10min，再置于去离子水中超声波清洗10min，
(2)依次浸入含有20g/L SnCl2、0.5g/L[Ag(NH3)2]OH和0.1g/L PdCl2的活化溶液中各10min，使得Pd粒子吸附在光纤上，得到活化光纤；
(3)将活化光纤再浸入含有0.01mol/L Zn(NO3)2、0.0005mol/L Al(NO3)3和0.01mol/L二甲氨基硼烷的生长溶液中，生长溶液温度为75℃，浸入时间为2h，然后取出用去离子水冲洗，在室温下晾干，得到覆AZO薄膜光纤，AZO薄膜厚度为200nm；
2、采用水热法在覆AZO薄膜光纤表面生长ZnO纳米线阵列膜；
将所述覆AZO薄膜光纤置于含有10mmol/L Zn(NO3)2、10mmol/L六亚甲基四胺和3mmol/L聚乙烯亚胺的混合溶液中，混合溶液的温度为90℃，反应时间为15h，然后取出用去离子水清洗，再在N2气流中干燥，得到覆ZnO纳米线阵列膜光纤，ZnO纳米线阵列膜的厚度为500nm；
3、采用浸涂法在覆ZnO纳米线阵列膜光纤表面制备P3HT:PCBM层；
将覆ZnO纳米线阵列膜光纤浸入温度为100℃的浸涂溶液中，搅拌2h后取出，待溶剂挥发，得到覆P3HT:PCBM层光纤，P3HT:PCBM层的厚度为200nm；所述浸涂溶液为P3HT和PCBM的二氯苯溶液，在浸涂溶液中，P3HT的浓度为5mg/mL，PCBM的浓度为5mg/mL；
4、采用热蒸发法在覆P3HT:PCBM层光纤表面蒸镀金属Al层；工艺参数如下：轰击电流为0.5A，衬底温度为25℃，真空度为1×10-4pa，蒸镀时间2min，得到线状可弯曲太阳能电池，金属Al层的厚度为10nm。
实施例7
本实施例为本发明所述的线状可弯曲太阳能电池的制备方法的另一实例，包括如下步骤：
1、采用无电沉积法在光纤表面生长AZO薄膜；
(1)将光纤置于丙酮超声波清洗15min，再置于去离子水中超声波清洗15min，
(2)依次浸入含有40g/L SnCl2、1.0g/L[Ag(NH3)2]OH和0.2g/L PdCl2的活化溶液中各8min，使得Pd粒子吸附在光纤上，得到活化光纤；
(3)将活化光纤再浸入含有0.05mol/L Zn(NO3)2、0.025mol/L Al(NO3)3和0.02mol/L二甲氨基硼烷的生长溶液中，生长溶液温度为75℃，浸入时间为1.5h，然后取出用去离子水冲洗，在室温下晾干，得到覆AZO薄膜光纤；
2、采用水热法在覆AZO薄膜光纤表面生长ZnO纳米线阵列膜；
将所述覆AZO薄膜光纤置于含有20mmol/L Zn(NO3)2、20mmol/L六亚甲基四胺和5mmol/L聚乙烯亚胺的混合溶液中，混合溶液的温度为90℃，反应时间为20h，然后取出用去离子水清洗，再在N2气流中干燥，得到覆ZnO纳米线阵列膜光纤；
3、采用浸涂法在覆ZnO纳米线阵列膜光纤表面制备P3HT:PCBM层；
将覆ZnO纳米线阵列膜光纤浸入温度为80℃的浸涂溶液中，搅拌2.5h后取出，待溶剂挥发，得到覆P3HT:PCBM层光纤；所述浸涂溶液为P3HT和PCBM的二氯苯溶液，在浸涂溶液中，P3HT的浓度为30mg/mL，PCBM的浓度为30mg/mL；
4、采用热蒸发法，在覆P3HT:PCBM层光纤表面蒸镀金属Ag层；工艺参数如下：轰击电流为0.7A，衬底温度为30℃，真空度为2×10-4pa，蒸镀时间3min，得到线状可弯曲太阳能电池，金属Ag层的厚度为30nm。
实施例8
本实施例为本发明所述的线状可弯曲太阳能电池的制备方法的再一实例，包括如下步骤：
1、采用无电沉积法在光纤表面生长AZO薄膜；
(1)将光纤置于丙酮超声波清洗10min，再置于去离子水中超声波清洗10min，
(2)依次浸入含有60g/L SnCl2、2g/L[Ag(NH3)2]OH和0.3g/L PdCl2的活化溶液中各10min，使得Pd粒子吸附在光纤上，得到活化光纤；
(3)将活化光纤再浸入含有0.1mol/L Zn(NO3)2、0.005mol/L Al(NO3)3和0.03mol/L二甲氨基硼烷的生长溶液中，生长溶液温度为90℃，浸入时间为3h，然后取出用去离子水冲洗，在室温下晾干，得到覆AZO薄膜光纤，AZO薄膜厚度为900nm；
2、采用水热法在覆AZO薄膜光纤表面生长ZnO纳米线阵列膜；
将所述覆AZO薄膜光纤置于含有30mmol/L Zn(NO3)2、30mmol/L六亚甲基四胺和10mmol/L聚乙烯亚胺的混合溶液中，混合溶液的温度为100℃，反应时间为25h，然后取出用去离子水清洗，再在N2气流中干燥，得到覆ZnO纳米线阵列膜光纤，ZnO纳米线阵列膜的厚度为1000nm；
3、采用浸涂法在覆ZnO纳米线阵列膜光纤表面制备P3HT:PCBM层；
将覆ZnO纳米线阵列膜光纤浸入温度为120℃的浸涂溶液中，搅拌3h后取出，待溶剂挥发，得到覆P3HT:PCBM层光纤；所述浸涂溶液为P3HT和PCBM的二氯苯溶液，在浸涂溶液中，P3HT的浓度为10mg/mL，PCBM的浓度为20mg/mL；
4、采用热蒸发法在覆P3HT:PCBM层光纤表面蒸镀金属Au层；工艺参数如下：轰击电流为1A，衬底温度为50℃，真空度为5×10-4pa，蒸镀时间5min，得到线状可弯曲太阳能电池，金属Au层的厚度为200nm。
实施例9
本实施例为本发明所述的线状可弯曲太阳能电池的制备方法的第四实例，包括如下步骤：
1、采用无电沉积法在光纤表面生长AZO薄膜；
(1)将光纤置于丙酮超声波清洗7min，再置于去离子水中超声波清洗7min，
(2)依次浸入含有40g/L SnCl2、0.1g/L[Ag(NH3)2]OH和0.1g/L PdCl2的活化溶液中各8min，使得Pd粒子吸附在光纤上，得到活化光纤；
(3)将活化光纤再浸入含有0.07mol/L Zn(NO3)2、0.0024mol/L Al(NO3)3和0.01mol/L二甲氨基硼烷的生长溶液中，生长溶液温度为85℃，浸入时间为2.5h，然后取出用去离子水冲洗，在室温下晾干，得到覆AZO薄膜光纤，得到AZO薄膜厚度为600nm；
2、采用水热法在覆AZO薄膜光纤表面生长ZnO纳米线阵列膜；
将所述覆AZO薄膜光纤置于含有25mmol/L Zn(NO3)2、25mmol/L六亚甲基四胺和7mmol/L聚乙烯亚胺的混合溶液中，混合溶液的温度为80～100℃，反应时间为15～25h，然后取出用去离子水清洗，再在N2气流中干燥，得到覆ZnO纳米线阵列膜光纤；
3、采用浸涂法在覆ZnO纳米线阵列膜光纤表面制备P3HT:PCBM层；
将覆ZnO纳米线阵列膜光纤浸入温度为100℃的浸涂溶液中，搅拌2.5h后取出，待溶剂挥发，得到覆P3HT:PCBM层光纤；所述浸涂溶液为P3HT和PCBM的二氯苯溶液，在浸涂溶液中，P3HT的浓度为20mg/mL，PCBM的浓度为10mg/mL；
4、采用热蒸发法在覆P3HT:PCBM层光纤表面蒸镀金属Ca层；工艺参数如下：轰击电流为1A，衬底温度为25℃，真空度为4×10-4pa，蒸镀时间5min，得到线状可弯曲太阳能电池，得到金属Ca层的厚度为45nm。

Claims (4)

1.一种线状可弯曲太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.1采用无电沉积法在光纤表面生长AZO薄膜；
(1)将光纤置于丙酮超声波清洗5～10min，再置于去离子水中超声波清洗5～10min；
(2)依次浸入含有20～60g/L SnCl2、0.5～2g/L[Ag(NH3)2]OH和0.1～0.3g/L PdCl2的活化溶液中各5～10min，使得Pd粒子吸附在光纤上，得到活化光纤；
(3)将活化光纤再浸入含有0.01～0.1mol/L Zn(NO3)2、0.0005～0.005mol/L Al(NO3)3和0.01～0.03mol/L二甲氨基硼烷的生长溶液中，生长溶液温度为70～90℃，浸入时间为1.5～3h，然后取出用去离子水冲洗，在室温下晾干，得到覆AZO薄膜光纤；
7.2采用水热法在覆AZO薄膜光纤表面生长ZnO纳米线阵列膜；
将所述覆AZO薄膜光纤置于含有10～30mmol/L Zn(NO3)2、10～30mmol/L六亚甲基四胺和3～10mmol/L聚乙烯亚胺的混合溶液中，混合溶液的温度为80～100℃，反应时间为15～25h，然后取出用去离子水清洗，再在N2气流中干燥，得到覆ZnO纳米线阵列膜光纤；
7.3采用浸涂法在覆ZnO纳米线阵列膜光纤表面制备P3HT:PCBM层；
将覆ZnO纳米线阵列膜光纤浸入温度为80～120℃的浸涂溶液中，搅拌2～3h后取出，待溶剂挥发，得到覆P3HT:PCBM层光纤；所述浸涂溶液为P3HT和PCBM的二氯苯溶液，在浸涂溶液中，P3HT的浓度为5～30mg/mL，PCBM的浓度为5～30mg/mL；
7.4采用热蒸发法在覆P3HT:PCBM层光纤表面蒸镀Al、Ag、Au、Ca或Li金属层；工艺参数如下：轰击电流为0.5～1A，衬底温度为25～50℃，真空度为1～5×10-4pa，蒸镀时间2～5min，得到线状可弯曲太阳能电池。
2.如权利要求1所述的线状可弯曲太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述浸涂法得到的P3HT:PCBM层厚度为200～500nm。
3.如权利要求1所述的线状可弯曲太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述热蒸发法得到的金属层厚度为10～50nm。
4.如权利要求1所述的线状可弯曲太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述水热法得到的ZnO纳米线阵列膜厚度为500～1000nm。
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