CN109256470A

CN109256470A - 一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法

Info

Publication number: CN109256470A
Application number: CN201811083024.2A
Authority: CN
Inventors: 于军胜; 刘德胜; 范谱; 韩于
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2019-01-22

Abstract

本发明公开了一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，属于有机半导体薄膜太阳能电池技术领域，在室温下，将PBT7：PC₇₁BM活性层溶液放在超声波反应器中进行快速溶解，然后采用旋涂工艺旋涂在预处理过的玻璃基底上后，进行退火处理得到活性层，通过超声波处理旋涂工艺制备有机太阳能电池的活性层，解决了现有的有机太阳能电池制备过程中，由于活性层溶液需长时间搅拌加热才能溶解充分且溶解过程中会引入空气，制备出的活性层界面成膜粗糙、颗粒不均匀甚至有缺陷，导致活性层光子捕获能力下降、激子分离能力减弱，从而导致有机太阳能电池性能低的问题。

Description

一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法

技术领域

本发明属于有机半导体薄膜太阳能电池技术领域，涉及一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法。

背景技术

随着全球能源需求量的逐年增加，对能源的有效开采及利用成为亟待解决的问题。目前世界上使用的能源大多数来自于矿物燃料的开采，其中包括石油，天然气和煤等。然而，这些资源是有限的，同时会造成很大的环境污染。考虑到太阳能具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，各国科学家都将太阳能的开发和利用作为研究的热点。

根据太阳能电池活性层材料的性质的不同，可以将其分为无机太阳能电池和有机半太阳能电池。无机太阳能电池由于发展起步早，研究比较广泛，其在应用中占据了主导地位。但是无机太阳能电池本身有其不足之处，比如加工工艺非常复杂、材料要求苛刻、不易进行大面积柔性加工、某些材料具有毒性等，这些缺点限制了无机太阳电池的进一步发展。与无机太阳能电池相比，基于有机半导体材料的有机太阳能电池，不仅具有与无机太阳能电池相同的最高理论光电转换效率，而且还具有质量轻、可湿法成膜、能加工成特种形状、易制成柔性器件、甚至可以实现全塑料化等显著优势，目前己成为国内外研究的热点之一。

但是，与已经商业化的无机太阳能电池相比，有机太阳能电池在光电转化效率方面仍有待提高，其商用化还尚需时日。有机太阳能电池一般采用反型结构，如图1所示，从下到上依次为：衬底、ITO透明导电阴极、ZnO阴极缓冲层、活性层、阳极缓冲层和金属阳极层。在研究有机太阳能电池光电效率的众多实验中，活性层一般采用具有操作简单、设备投入成本低等优点的旋涂工艺制备，其中，以PBT7：PC₇₁BM薄膜作为活性层应用十分广泛，PBT7：PC₇₁BM薄膜作为传统的活性层材料，众多提高太阳能性能的研究方向都是以此活性层体系为基础的。

目前，在太阳能电池中采用旋涂工艺制备PBT7：PC₇₁BM薄膜作为活性层时，通常采用溶有PBT7：PC₇₁BM的氯苯溶液(外加3％的DIO)作为旋涂的主体溶液，再通过热退火来形成活性层薄膜。但是由于在配制活性层溶液的过程中，活性层材料并非都极易溶于氯苯，配好之后仍需在热台上放置5到6个小时加热搅拌，整个过程中溶液还可能混入空气，故活性层溶液在旋涂成膜过程中可以发现界面较为粗糙，甚至有气泡诱发的缺陷区域，退火形成的活性层薄膜甚至有肉眼可见的小点，同时与电荷传输层接触电阻较大，这些都大大减低了活性层捕获太阳光、分离激子的能力，抑制了整个器件的性能。

因此，研究如何运用一种优化的旋涂工艺来制备均匀、致密的活性层薄膜，是目前有机太阳能电池领域研究的重点及难点之一。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，解决了现有的有机太阳能电池制备过程中，由于活性层溶液需长时间搅拌加热才能溶解充分且溶解过程中会引入空气，制备出的活性层界面成膜粗糙、颗粒不均匀甚至有缺陷，导致活性层光子捕获能力下降、激子分离能力减弱，从而导致有机太阳能电池性能低的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，在室温下，将PBT7：PC₇₁BM活性层溶液放在超声波反应器中进行快速溶解，然后采用旋涂工艺旋涂在预处理过的玻璃基底上后，进行退火处理，得到活性层。

进一步地，所述制备方法具体步骤如下：

步骤1：对由透明衬底及ITO透明导电阴极所组成的ITO基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；

步骤2：将ZnO前驱体溶液旋涂在步骤1的ITO基板表面，进行热退火处理后得到ZnO阴极缓冲层；

步骤3：在进行步骤2的同时，在室温下，将PBT7：PC₇₁BM活性层溶液放在超声波反应器中进行快速溶解，然后采用旋涂工艺将溶液旋涂在ZnO阴极缓冲层表面后，进行退火处理得到活性层；

步骤4：在真空度为3*103Pa的条件下，在活性层表面蒸镀MoO₃，得到阳极缓冲层；

步骤5：在阳极缓冲层表面蒸镀金属阳极材料，得到金属阳极层，制作完成。

进一步地，所述步骤2中热退火处理采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热中的一种或多种。

进一步地，所述步骤3中的PBT7：PC₇₁BM活性层溶液由电子给体材料PBT7与电子受体材料PC₇₁BM按1:5～5:1的质量百分比混合而成，溶于1ml氯苯中，浓度为10～30mg/ml。

更进一步地，所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液由电子给体材料PBT7与电子受体材料PC₇₁BM按1:1的质量百分比混合而成，溶于1ml氯苯中，浓度为10mg/ml，并在混合溶液中加上30ul的DIO。

进一步地，所述步骤3中，超声波反应器中的超声波频率为20kHz，所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液在超声波反应器中的放置时间为20～100min。

进一步地，所述步骤5中的金属阳极材料为Ag、Al、Au中的一种或多种。

更进一步地，所述步骤3得到的活性层厚度为50～250nm，所述步骤4得到的阳极缓冲层厚度为10～20nm，所述步骤5得到的金属阳极层厚度为100～200nm。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，通过超声波处理旋涂工艺制备有机太阳能电池的活性层，由于PBT7：PC₇₁BM活性层溶液吸收超声波能量发热以及超声波的机械作用，相比热台恒温加热活性层溶液能够更均匀受热，相比普通机械搅拌活性层溶液能够形成更有效的振动和搅动，故含有多种溶质的活性层溶液能够溶解的更充分、更迅速，降低了时间成本；同时，由于超声波的空化作用，活性层溶液中溶解的气泡会聚集后破碎逸出，避免了气泡在后续旋涂过程中对活性层成膜造成干扰，可使旋涂过程中无聚集效应。

2.本发明中将活性层溶液进行超声波处理后，再旋涂在ZnO阴极缓冲层表面，然后进行退火处理，形成颗粒均匀、致密、平整的活性层薄膜，整个过程改善了活性层形貌，降低了粗糙度，减少了活性层中的缺陷，优化了活性层与ZnO阴极缓冲层的接触，降低了界面间的接触电阻，提高了短路电流，还提高了光生激子的分离几率，最终提高了整个有机太阳能电池的性能。

3.本发明通过超声波处理旋涂工艺制备有机太阳能电池，是在室温的条件下进行的，不需要其他加温设备，节省了设备成本，更加有利于工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是有机太阳能电池的结构示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图中标记：1.衬底、2.ITO透明导电阴极、3.ZnO阴极缓冲层、4.活性层、5.阳极缓冲层、6.金属阳极层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，解决了现有的有机太阳能电池制备过程中，由于活性层溶液需长时间搅拌加热才能溶解充分且溶解过程中会引入空气，制备出的活性层界面成膜粗糙、颗粒不均匀甚至有缺陷，导致活性层光子捕获能力下降、激子分离能力减弱，从而导致有机太阳能电池性能低的问题；

在室温下，将PBT7：PC₇₁BM活性层溶液放在超声波反应器中进行快速溶解，然后采用旋涂工艺旋涂在预处理过的玻璃基底上后，进行退火处理，得到活性层，所述制备方法具体步骤如下：

步骤2：将ZnO前驱体溶液旋涂在步骤1的ITO基板表面，进行热退火处理后得到ZnO阴极缓冲层，所述热退火处理采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热中的一种或多种；

步骤3：在进行步骤2的同时，在室温下，将PBT7：PC₇₁BM活性层溶液放在超声波反应器中进行快速溶解，然后采用旋涂工艺将溶液旋涂在ZnO阴极缓冲层表面后，进行退火处理得到厚度为50～250nm的活性层，所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液由电子给体材料PBT7与电子受体材料PC₇₁BM按1:5～5:1的质量百分比混合而成，溶于1ml氯苯中，浓度为10～30mg/ml，所述超声波反应器中的超声波频率为20kHz，所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液在超声波反应器中的放置时间为20～100min；

步骤4：在真空度为3*103Pa的条件下，在活性层表面蒸镀MoO₃，得到厚度为10～20nm的阳极缓冲层；

步骤5：在阳极缓冲层表面蒸镀金属阳极材料，所述金属阳极材料为Ag、Al、Au中的一种或多种，得到厚度为100～200nm的金属阳极层，制作完成。

优选地，所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液由电子给体材料PBT7与电子受体材料PC₇₁BM按1:1的质量百分比混合而成，溶于1ml氯苯中，浓度为10mg/ml，并在混合溶液中加上30ul的DIO。

本发明通过超声波处理旋涂工艺制备有机太阳能电池的活性层，由于PBT7：PC₇₁BM活性层溶液吸收超声波能量发热以及超声波的机械作用，相比热台恒温加热活性层溶液能够更均匀受热，相比普通机械搅拌活性层溶液能够形成更有效的振动和搅动，故含有多种溶质的活性层溶液能够溶解的更充分、更迅速，降低了时间成本；同时，由于超声波的空化作用，活性层溶液中溶解的气泡会聚集后破碎逸出，避免了气泡在后续旋涂过程中对活性层成膜造成干扰，可使旋涂过程中无聚集效应；将活性层溶液进行超声波处理后，再旋涂在ZnO阴极缓冲层表面，然后进行退火处理，形成颗粒均匀、致密、平整的活性层薄膜，整个过程改善了活性层形貌，降低了粗糙度，减少了活性层中的缺陷，优化了活性层与ZnO阴极缓冲层的接触，降低了界面间的接触电阻，提高了短路电流，还提高了光生激子的分离几率，最终提高了整个有机太阳能电池的性能。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

本发明较佳实施例提供的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，制备如图1所示的反型结构的有机太阳能电池，结构从下到上依次为：衬底1、ITO透明导电阴极2、ZnO阴极缓冲层3、活性层4、阳极缓冲层5和金属阳极层6。

现有的有机太阳能电池制备方法为：

步骤1：对表面粗糙度小于1nm的由透明衬底1及ITO透明导电阴极2所组成的ITO基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；

步骤2：将ZnO前驱体溶液旋涂在步骤1的ITO基板表面，进行热退火处理(150℃，30min)后得到ZnO阴极缓冲层3；

步骤3：在进行步骤2的同时，将经过热台上90℃、800r处理过6个小时的PBT7：PC₇₁BM活性层溶液旋涂在ZnO阴极缓冲层3表面(1200rpm，90s)后，进行退火处理得到厚度为120nm的活性层4，所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液由电子给体材料PBT7与电子受体材料PC₇₁BM按1:1的质量百分比混合而成，溶于1ml氯苯中，浓度为25mg/ml；

步骤4：在活性层4表面蒸镀MoO₃，得到厚度为15nm的阳极缓冲层5；

步骤5：在阳极缓冲层5表面蒸镀金属阳极材料Ag，得到厚度为100nm金属阳极层6，制作完成。

上述现有制备方法得到的有机太阳能电池，在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm²)，测得器件的开路电压(V_OC)＝0.75V，短路电流(J_SC)＝13.27mA/cm²，填充因子(FF)＝0.61，光电转换效率(PCE)＝6.07％。

本实施例提供的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，在室温下，将PBT7：PC₇₁BM活性层溶液放在超声波反应器中进行快速溶解，然后采用旋涂工艺旋涂在预处理过的玻璃基底上后，进行退火处理，得到活性层4，所述制备方法具体步骤如下：

步骤2：将ZnO前驱体溶液旋涂在步骤1的ITO基板表面，进行热退火处理(150℃，30min)后得到ZnO阴极缓冲层3，所述热退火处理采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热中的一种或多种；

步骤3：在进行步骤2的同时，在室温下，将PBT7：PC₇₁BM活性层溶液放在超声波频率为20kHz的超声波反应器中进行快速溶解，放置时间为20～100min，然后在旋涂仪中，采用旋涂工艺将溶液旋涂在ZnO阴极缓冲层3(1200rpm，90s)表面后，进行退火处理得到厚度为120nm的活性层4，所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液由电子给体材料PBT7与电子受体材料PC₇₁BM按1:1的质量百分比混合而成，溶于1ml氯苯中，浓度为10mg/ml，并在混合溶液中加上30ul的DIO；

步骤4：在真空度为3*103Pa的条件下，在活性层4表面蒸镀MoO₃，得到厚度为15nm的阳极缓冲层5；

步骤5：在阳极缓冲层5表面蒸镀金属阳极材料Ag，得到厚度为100nm的金属阳极层6，制作完成。

本实施例得到的有机太阳能电池，在标准测试条件下(AM 1.5，100mW/cm²)，根据PBT7：PC₇₁BM活性层溶液在超声波反应器中的放置时间(20～100min)的不同，测得器件的开路电压(V_OC)、短路电流(J_SC)、填充因子(FF)、光电转换效率(PCE)均有不同，测得的数据如表1所示。

表1

由表1可看出，通过超声波处理旋涂工艺制备得到的高性能有机太阳能电池相比于未使用超声波处理工艺制备得到的有机太阳能电池，即现有方法通过热台搅拌活性层溶液制备活性层4最后得到的有机太阳能电池，其短路电流密度变大，填充因子增加，开路电压增强，这是由于PBT7：PC₇₁BM活性层溶液吸收超声波能量发热以及超声波的机械作用，活性层溶液能够更均匀受热，能够形成更有效的振动和搅动，故溶解的更充分、更迅速，所花时间更少；

同时，由于超声波的空化作用，活性层溶液中溶解的气泡会聚集后破碎逸出，避免了气泡在后续旋涂过程中对活性层4成膜造成干扰，可使旋涂过程中无聚集效应，进行超声波处理后，在旋涂仪中，将溶液旋涂在ZnO阴极缓冲层3表面，然后进行退火处理，形成颗粒均匀、致密、平整的活性层4薄膜，整个过程改善了活性层4形貌，降低了粗糙度，减少了活性层4中的缺陷，优化了活性层4与ZnO阴极缓冲层3的接触，降低了界面间的接触电阻，提高了短路电流，还提高了光生激子的分离几率，最终提高了整个有机太阳能电池的性能，

而且，本实施例是在室温的条件下进行的，节省了设备成本，更加有利于工业化生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，其特征在于：在室温下，将PBT7：PC₇₁BM活性层溶液放在超声波反应器中进行快速溶解，然后采用旋涂工艺旋涂在预处理过的玻璃基底上后，进行退火处理，得到活性层。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，其特征在于，所述制备方法具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤2中热退火处理采用恒温热台加热、烘箱加热、远红外加热、热风加热中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，其特征在于，所述步骤3中的PBT7：PC₇₁BM活性层溶液由电子给体材料PBT7与电子受体材料PC₇₁BM按1:5～5:1的质量百分比混合而成，溶于1ml氯苯中，浓度为10～30mg/ml。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，其特征在于：所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液由电子给体材料PBT7与电子受体材料PC₇₁BM按1:1的质量百分比混合而成，溶于1ml氯苯中，浓度为10mg/ml，并在混合溶液中加上30ul的DIO。

6.根据权利要求2所述的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤3中，超声波反应器中的超声波频率为20kHz，所述PBT7：PC₇₁BM活性层溶液在超声波反应器中的放置时间为20～100min。

7.根据权利要求2所述的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤5中的金属阳极材料为Ag、Al、Au中的一种或多种。

8.根据权利要求2所述的一种基于超声波处理旋涂工艺的有机太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤3得到的活性层厚度为50～250nm，所述步骤4得到的阳极缓冲层厚度为10～20nm，所述步骤5得到的金属阳极层厚度为100～200nm。