CN105047824A - 一种织物作为衬底的有机太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及织物作为衬底的有机太阳能电池及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)在衬底上通过无电沉积法制备金属电极；在制备有PSS层的硅片或玻璃上制备有机光电转换层；2)使有机光电转换层形成的薄膜漂在去离子水水面上，使有机光电转换层形成的薄膜贴于织物的金属电极上，捞起晾干；3)在织物上滴加界面修饰层溶液形成电极界面修饰层；4)在有机光电转换层上制备透明上电极。本发明方法利用有机光电转换层具有有机聚合物薄膜特有的柔韧性和无支持独立存在性，将有机太阳能电池中的有机光电转换层与织物衬底的有机结合，拓宽有机太阳能电池的应用领域。

Description

一种织物作为衬底的有机太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种织物作为衬底的有机太阳能电池及其制备方法。
背景技术
自从工业革命以来，人类社会的能源消耗速度迅速上升。而且以往的能源主要来自于火力发电，这直接导致了地球上煤、石油、天然气等不可再生能源的储量快速下降。一方面由于上述能源的储量有限，不能长久的供给人类社会；另一方面，由于化石燃料的燃烧，导致的生态环境破坏，会对地球生态产生不可估量的负面影响。
为了解决能源问题，开发新型可再生清洁能源是一项重要而且紧急的工作。太阳能是一种重要的可再生能源，也是人类所能利用的唯一取之不尽的清洁能源。在过去几十年中，太阳能电池技术发展迅猛，无机太阳能电池技术已经日趋成熟，部分已经能够实现大规模发电。然而，无机太阳能电池的成本昂贵，为了解决这一难题，聚合物太阳能电池技术在近几年得到了能源学科的广泛关注，渐渐发展为太阳能电池技术的一个重要的分支。
有机太阳能电池的主要材料是有机聚合物，所以成本较无机材料，如硅、锗，要低很多。而且，聚合物太阳能电池的制备工艺条件，较传统无机太阳能电池要更为宽松，因而，生产成本较低。如今，聚合物太阳能电池效率已经超过10％，接近商业化要求，但是相比于无机太阳能电池，有机太阳能电池的光电转换效率还是偏低的。因此，有机太阳能电池的应用还是应该集中在无机太阳能电池不能应用的特殊领域。这就需要有机太阳能电池凭借自身独特的优势，例如在特殊的衬底上制备，开拓新的应用领域。
织物是由纤维组成的纱线编织而成，纤维与纤维之间、纱线与纱线之间都有空隙，这也是普通织物做成的衣服透水透气穿着舒服的原因。与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池的能量转换效率较低，但由于有机太阳能电池一些独特优势，令其能够应用于无机太阳能电池不用应用的领域。无机太阳能电池的功能层为晶相结构，对衬底的要求比较高，不能直接制备到织物上。而对有机太阳能电池来说，其溶液法的制备工艺也不适合直接制备于织物，因为溶液会通过空隙渗出，影响成膜质量，所以在织物上的有机太阳能电池的研究比较少，而大部分的工作是在织物上再沉积一层致密的涂层(如防水或防紫外线涂层)，这样的织物上就可以通过溶液法制备其他有机太阳能电池的功能层。但这样织物就不再是有机太阳能电池的直接衬底，不能体现织物的不同形貌，失去织物作为衬底的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种将有机太阳能电池直接制备在织物上面的织物为衬底的有机太阳能电池及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底上通过无电沉积法制备金属电极，所述衬底为合成树脂纤维制备的织物；
在制备有PSS层的硅片或玻璃上用溶液法在PSS层上制备有机光电转换层，得有机光电转换层板；
2)将步骤1)所得有机光电转换层板置于去离子水中，PSS层溶于水后，使有机光电转换层形成的薄膜漂在去离子水水面上，将步骤1所得具有金属电极的织物吸附于洁净玻璃片后，置于具有有机光电转换层形成的薄膜的去离子水中，使有机光电转换层形成的薄膜贴于织物的金属电极上，将贴有机光电转换层的织物捞起晾干；
3)在步骤2所得覆盖有机光电转换层的织物上滴加界面修饰层溶液，所述界面修饰层溶液自动扩散修饰金属电极形成电极界面修饰层；
4)在步骤3)所得织物的有机光电转换层上制备透明上电极，得织物作为衬底的有机太阳能电池。
本发明的另一技术方案为提供一种上述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法制备的织物作为衬底的有机太阳能电池。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种织物为衬底的有机太阳能电池及其制备方法，所述有机太阳能电池的电极是通过无电沉积的方法原位生长在织物上、阴极修饰层是通过溶液扩散法制备、有机功能层是通过湿法转移法与织物衬底集成。上述方法针对织物这种有纹理有间隙的独特衬底设计，利用有机光电转换层具有有机聚合物薄膜特有的柔韧性和无支持独立存在性，将有机太阳能电池中的有机光电转换层与织物衬底的有机结合，大大拓宽有机太阳能电池的应用领域，弥补其能量转化效率相对较低的劣势。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的实施例1中制备有银电极的织物的照片；
图2为本发明具体实施方式中的织物为衬底的有机太阳能电池的制备工艺流程图；
图3为本发明具体实施方式中的织物为衬底的有机太阳能电池的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中的织物为衬底的有机太阳能电池的性能曲线；
1、织物；2、金属电极；3、界面修饰层；4、有机光电转换层；5、透明上电极。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：利用有机聚合物薄膜特有的柔韧性和无支持独立存在性，将有机太阳能电池中的有机光电转换层与织物衬底在去离子水中结合。
本发明涉及的技术术语解释如表1所示。
表1
一种织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底上通过无电沉积法制备金属电极，所述衬底为合成树脂纤维制备的织物；
在制备有PSS层的硅片或玻璃上用溶液法在PSS层上制备有机光电转换层，得有机光电转换层板；
2)将步骤1)所得有机光电转换层板置于去离子水中，PSS溶于水后，使有机光电转换层形成的薄膜漂在去离子水水面上，将步骤1所得具有金属电极的织物吸附于洁净玻璃片后置于具有有机光电转换层形成的薄膜的去离子水中，使有机光电转换层形成的薄膜贴于织物的金属电极上，将贴有机光电转换层的织物捞起晾干；
3)在步骤2所得覆盖有机光电转换层的织物上滴加界面修饰层溶液，界面修饰层溶液自动扩散修饰金属电极形成电极界面修饰层；
4)在步骤3)所得织物的有机光电转换层上制备透明上电极，得织物作为衬底的有机太阳能电池。
进一步的，上述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法中，所述的织物衬底的材料可以根据实际需求采用涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶、氯纶、氨纶等合成树脂制备的纤维及纱线，并编织成不同形貌的织物。
进一步的，上述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法中，所述金属电极所用金属为铂，金、银等金属。
进一步的，上述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法中，所述有机光电转换层采用的光电转换功能材料包括给体材料和受体材料。
其中，给体材料可以采用以下材料的任何一种：聚(3-已基噻吩)(P3HT)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)对苯乙炔](MEH-PPV)或窄带隙高性能聚合物给体材料及有机小分子给体材料，但为了保证有机功能层薄膜的良好成膜性和无支持独立存在性，优选为聚合物给体材料。受体材料一般为富勒烯的衍生物，如：6，6-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)或6，6-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)。有机光电转换层采用体异质结结构，给体和受体按一定比例混合的混合溶液通过旋涂等溶液法成膜，有机光电转换层的膜厚不限，但优选于100纳米-1000纳米。
进一步的，上述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法中，所述界面修饰层溶液为PEIE或PEI溶于有机溶剂后得到的溶液。
因为织物衬底的三维多孔形貌，不能用传统溶液法制备电极界面修饰层。但由于织物的特殊网络结构，可以通过纤维将溶液在这个衬底均匀扩散。当金属电极作为阴极，线型或枝化聚醚酰亚胺(PEIE或PEI)的溶液可以作为阴极界面修饰层，可将其溶在有机溶剂的溶液滴在织物的一角，PEI将通过织物的纤维迅速扩散到整个织物，包括金属电极所在区域。由于PEI是一种良好的表面活性剂，与有机功能层分子和金属电极之间都有很强的分子间作用力，由此，有机功能层通过PEI与金属电极达到欧姆接触。
进一步的，上述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法中，所述步骤4)具体为：在有机光电转换层上通过溶液法或者蒸镀法制备透明上电极。阳极可以用高导电性聚4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)水溶液，厚度优选于50-300纳米，以保证较好的透过率和导电率。或者蒸镀氧化钼(10-30纳米)和银，银的厚度要低于30nm以保证透明上电极的透光性。阴极可以用氟化锂、钙等复合厚度较薄的透明金属铝和银。
实施例1
请参照图1、图2和图3，本发明中的织物作为衬底的有机太阳能电池从衬底侧到入光侧，依次为：织物1、金属电极2、界面修饰层3、有机光电转换层4、透明上电极5。
上述织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1)a、在衬底上通过无电沉积法制备金属电极，所述衬底为合成树脂纤维制备的织物；所述织物优选为涤纶。
由于织物特殊的形貌特征，直接在织物上通过真空镀膜技术制备的金属电极由于不连续而难以导电。因此用于有机太阳电池直接衬底的织物，其电极的制备优选为化学溶液法制备，如无电沉积。
上述在织物上通过无电沉积法制备金属电极具体为：
先对织物特定区域进行表面能处理，提高其亲水性。然后通过丝网印刷将催化剂体系刷在特定区域，所述催化剂体系成分为：(NH4)2PdCl4(23mg)，聚乙二醇(PEG)(5g，Mw＝4000g/mol)以及去离子水(2.3g)。印刷后静置30分钟左右，用等离子体清洗机轰击2分钟。最后使用去离子水充分洗去表面墨水，准备生长金属电极。生长不同的金属电极可以将织物衬底浸在不同金属的无电沉积溶液里。在本实施例中，将处理后的织物衬底浸入银的无电沉积溶液，首先需要配置A、B两种溶液：A为NaOH(12g/L)和酒石酸钠钾(29g/L)的水溶液；B为45mL/L的甲醛水溶液。将A、B溶液按1:1充分混合后，将处理后的织物衬底浸没在A、B的混合溶液中，将Pd离子还原成Pd。然后将衬底用去离子水清洗干净，放入5g/LAg(NH3)2]NO3和50g/L酒石酸钠钾的混合水溶液2分钟左右生长80nm左右的银薄膜，可以通过控制时间的长短来控制金属电极的厚度。
b、在制备有PSS层的硅片或玻璃上用溶液法在PSS层上制备有机光电转换层，得有机光电转换层板；具体如下：
首先将硅片清洗干净，并用等离子体清洗机轰击2分钟提高其表面亲水性。PSS水溶液(所述PSS在溶液中质量百分数为5％)高速旋涂成膜(4000rpm)，在125℃加热10分钟去除水，得设有PSS层的硅片。所述PSS层的厚度为120nm
在本实施例中，有机光电转换层的光电转换功能材料采用P3TH和PC61BM，按质量比1：0.8进行混合，溶于氯苯(CB)溶液(浓度为20毫克/毫升)。旋涂于设有PSS层的硅片，旋涂速度为1000rpm，旋涂时间为60s，形成厚度约为200nm的薄膜，旋涂后置于热台上145℃加热退火5分钟，得有机光电转换层板。
2)将旋涂好PSS和有机光电转换层的硅片(即有机光电转换层板)小心平放入去离子水中，水通过侧面逐渐将PSS溶解，有机光电转换层就漂在水面上。制备有金属电极的织物衬底先浸水吸附在干净的玻璃片上，再从水中将有机光电转换层薄膜捞起(要注意对准织物衬底上的金属电极区域)。
3)在步骤2所得覆盖有机光电转换层的织物衬底上滴加界面修饰层溶液，界面修饰层溶液自动扩散修饰金属电极形成电极界面修饰层；具体包括：
金属电极可以做阴极也可以做阳极是由其上的界面修饰层决定的。在本实施例中，金属电极做有机太阳能电池的阴极，界面修饰层是通过PEI乙二醇单甲醚溶液在织物中纤维的扩散作用形成。具体如下：在覆盖有机光电转换层的织物衬底上滴加PEI的乙二醇单甲醚溶液(浓度0.5％)，然后在100℃加热10分钟。
4)在有机光电转换层上制备透明上电极，得织物作为衬底的有机太阳能电池。
上述透明上电极可以使用不同现有技术制备在有机光电转换层上，可以选择溶液法制备和电极蒸镀法。在本实施例中，使用PH1000在有机光电转换层上旋涂成膜(1000rpm，60s)，厚度约为120nm，80℃加热0.5个小时后，得织物作为衬底的有机太阳能电池。
请参阅图4，测试上述实施例所得织物作为衬底的有机太阳能电池的器件性能。开路电压Voc＝0.55V，FF＝0.35，Jsc＝5.05mA/cm2，PCE＝1.0％。开路电压Voc和其他类型的有机太阳能电池相比差不多，短路电流Jsc比较小是因为织物微米级起伏的结构使金属电极与有机光电转换层有效接触面积大大减小，如果以有效面积计算，PCE会大于2.0％。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底上通过无电沉积法制备金属电极，所述衬底为合成树脂纤维制备的织物；
在制备有PSS层的硅片或玻璃上用溶液法在PSS层上制备有机光电转换层，得有机光电转换层板；
2)将步骤1)所得有机光电转换层板置于去离子水中，PSS层溶于水后，使有机光电转换层形成的薄膜漂在去离子水水面上，将步骤1所得具有金属电极的织物吸附于洁净玻璃片后，置于具有有机光电转换层形成的薄膜的去离子水中，使有机光电转换层形成的薄膜贴于织物的金属电极上，将贴有机光电转换层的织物捞起晾干；
3)在步骤2所得覆盖有机光电转换层的织物上滴加界面修饰层溶液，所述界面修饰层溶液自动扩散修饰金属电极形成电极界面修饰层；
4)在步骤3)所得织物的有机光电转换层上制备透明上电极，得织物作为衬底的有机太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述织物为涤纶或锦纶。
3.根据权利要求1所述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述金属电极所用金属为铂，金或银。
4.根据权利要求1所述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述有机光电转换层采用的光电转换功能材料为P3TH和PC61BM。
5.根据权利要求1所述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述界面修饰层溶液为PEIE或PEI溶于有机溶剂后得到的溶液。
6.根据权利要求1所述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：在有机光电转换层上通过溶液法或者蒸镀法制备透明上电极。
7.一种权利要求1-6任一项所述的织物作为衬底的有机太阳能电池的制备方法制备的织物作为衬底的有机太阳能电池。
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