CN110416417A - 一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法，包含衬底预处理、透明复合导电薄膜制备、光敏层制备和低功函数金属电极制备；其特征在于：所述柔性太阳能电池的结构为氧化镍与银纳米线的透明复合导电薄膜/光敏层/低功函数金属电极，所述透明复合导电薄膜制备是在柔性衬底上涂覆银纳米线墨水，去氢氧化镍制备喷涂的前驱液，将衬底加热，前驱液雾化后，喷洒于衬底，沉积成均匀的氧化镍涂层。本发明简化了电池结构，提高了太阳能电池的导电稳定性，其具有很好的导电性能，降低了光的吸收损失；本发明制得的太阳能电池的开路电压为0.86V，短路电流密度可达21.1mA/cm2，填充因子达到了66.3%，电池光电转换效率约为12.0%，外量子效率达到了90%。

Description

一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池制备领域，具体涉及一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法。
背景技术
有机薄膜太阳能电池具有轻、薄、柔性化的特点，具有良好的应用前景。柔性化使得有机薄膜太阳能电池可以广泛的应用于衣服，帐篷，柔性充电器。有机太阳能电池主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流，实现太阳能发电的效果。有机太阳能电池的光电转换过程一般是电池吸收光后，在给体或受体中产生激子，激子扩散至给、受体界面层，激子在界面层转移拆分成自由载流子，即电子和空穴，然后电子和空穴分别在内建电场作用下迁移至相应的电极形成光电流。
要制备实用化的柔性有机薄膜太阳能电池，透明导电薄膜技术是关键。常见的透明导电薄膜主要为氧化铟锡（ITO）薄膜及其替代品，如银纳米线薄膜、金属网格等。透明导电薄膜通常能级与有机光敏层不匹配，需要在两者之间加入一层缓冲层，例如专利：CN108550697 A采用了聚3，4～乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为阳极缓冲层，制备复杂，且PEDOT:PSS呈弱酸性，还会导致太阳能电池使用寿命降低。而且，一些缓冲层如氧化锌，需要在200℃以上温度制备及退火。而柔性透明导电薄膜的基板通常为有机物，如PET薄膜，其最高耐受温度为150℃，显然无法满足柔性器件的制备要求。因此，柔性有机薄膜太阳能电池制备中需要一种能级与活性层匹配，能在150℃以下制备的柔性透明导电薄膜的制备技术。
发明内容
本发明目的在于提供一种高效的基于透明复合导电薄膜柔性太阳能电池制备方法，其结构简单，稳定性好。
本发明按如下技术方案实现：
一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法，包含衬底预处理、透明复合导电薄膜制备、光敏层制备和低功函数金属电极制备；其特征在于：所述柔性太阳能电池的结构为氧化镍与银纳米线的透明复合导电薄膜/光敏层/低功函数金属电极，所述透明复合导电薄膜制备是用滚涂、刮涂、旋涂、喷涂等方法在柔性衬底上涂覆上银纳米线墨水，取氢氧化镍分散于去离子水，滴入冰乙酸与乙酸铵的混合溶液，进行磁力搅拌，取上清液进行稀释作为喷涂的前驱液，将衬底加热，将前驱液进行雾化后，喷洒于衬底，沉积成均匀的氧化镍涂层。
进一步，上述氢氧化镍、氨水和冰乙酸与乙酸铵的混合溶液的用量质量比为2～3：20～60：0.01～0.05；所述冰乙酸与乙酸铵的混合溶液按照体积比为2～5:1～2配置。
进一步，上述衬底加热具体是将衬底加热至50～60℃、保温2h，然后继续加热65～85℃、保温0.5h，最后加热至90～150℃、保温1h。
进一步，上述稀释过程中上清液与去离子水的用量体积比为3～6：1～10。
导电薄膜的透光率和方块电阻是判断导电薄膜导电性能的指标，导电薄膜透光率高，同时方阻小，其导电性能越好，然而想要同时满足高透光率、方阻小时不容易的，当保证高透光率时，其方阻就会越大，当保证较小方阻时，又不能保证高透光率，本发明方法制备的氧化镍与银纳米线复合导电薄膜透光率高，同时方阻很小。
进一步，上述低功函数金属电极为Ca：Al复合电极金属薄膜或者Al金属薄膜，当Al作为金属电极时， Al电极和光敏层之间增加一层缓冲层LiF。
进一步，上述氧化镍保护的银纳米复合导电薄膜厚度为110～500nm，光敏层薄膜厚度为90nm～280nm，缓冲层厚度为2～8nm，Al金属膜厚度为70～200nm， Ca金属膜的厚度为40～120nm。
更进一步，一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法，其特征在于：上述光敏层为有机给体材料和有机受体的混合薄膜，其中有机给体为共轭聚合物包括但不限于P3HT、PCPDTBT、PTB7、PTB7～Th等，有机受体为富勒烯衍生物包括但不限于：PC61BM、PC71BM、ICBA、N2200、ITIC、IT4F等。
进一步，给体材料与受体材料混合质量比为1:0.8～1。
一种柔性太阳能电池的制备方法，按如下步骤：
（1）衬底预处理
在含有清洁剂、丙酮、去离子水和乙醇的超声波浴中连续清洗，每一步10min，然后用氮气吹干；
（2）透明复合导电薄膜制备
A、用滚涂、刮涂、旋涂、喷涂等方法在柔性或刚性衬底上涂覆上银纳米线墨水，110℃下真空干燥10分钟，薄膜最终厚度为100～400nm。
B、按照氢氧化镍、氨水与混合溶液的质量比为2～3：20～60：0.01～0.05，将氢氧化镍分散于按说，滴入冰乙酸与乙酸铵按照2～5:1～2的体积比配置的混合溶液，进行磁力搅拌，然后静置12h，上清液为容易分解的镍氨溶液，沉淀为未溶解的氢氧化镍；取上清液，加入去离子水进行稀释作为喷涂的前驱液，其中上清液与去离子水体积比为3～6：1～10；将涂覆了银纳米线的衬底加热，将前驱液在震荡频率为1MHz～1.44 MHz下进行雾化后，雾化率为0.1～2mL/min，喷洒于衬底，沉积速率为5～20nm/min，沉积过程中前驱液分解蒸发，最后形成厚度为10～100nm的氧化镍涂层。
本发明采用专利：CN 104762613 A公开的超声喷雾热解镀膜装置进行氧化镍层的喷涂。
（3）光敏层制备
将步骤（2）处理后的衬底加热至25℃～80℃，采用喷涂法在银纳米线薄膜表面制备1层厚度为90nm～280nm活性层薄膜，部分光敏层需要在氮气保护下，在110℃～160℃下退火，退火时间为5 min～20min；
（4）阴极缓冲层及低功函数金属薄膜制备
阴极缓冲层及低功函数金属薄膜制备都在多源热蒸发系统中依次完成。通过真空热蒸发技术制备一层厚度为2～8nm的LiF和70～200nm的Al电极，其中LiF为缓冲层；或制备一层厚度为40～120nm的Ca和70～200nm的Al电极，其中Al的作用在于保护Ca层，提高电极的化学稳定性。
太阳能电池制备过程中，容易出现复合导电膜的表面非常粗糙，产生光的漫反射，影响内电场分布，会造成局部高电场，导致器件击穿，降低产品稳定性，另外，容易发生膜的表面均匀性差，降低量子效率，使得最终产品光电转化效率变差。使用本发明方法制得的膜均匀性好，表面粗糙低至0.78nm。
进一步，上述磁力搅拌的温度为25～40℃、搅拌时间为1～4h。
具体地，上述墨水银线质量含量约为0.5％，成分中含有分散剂、表面活性剂、流平剂、保湿剂和粘结剂等助剂；其中，银纳米线直径为20～60nm，长度为10～30μm。
优选地，使用C3Nano公司生产的银纳米线墨水。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种柔性电池及其制备方法，简化了柔性有机薄膜太阳能电池的制备工艺，避免了额外使用成分复杂，制备繁复的有机薄膜作为缓冲层，采用氧化镍与银纳米线复合导电膜，简化了电池结构，其表面粗糙度低、均匀性好，提高了有机薄膜太阳能电池的导电稳定性，其具有很好的导电性能，降低了光的吸收损失；在低温环境中制得，避免了衬底和薄膜在制备过程中受到高温破坏，本发明制备的太阳能电池的开路电压为0.86V，短路电流密度可达21.1mA/cm2，填充因子达到了66.3%，光电转换效率为12.0%，本发明方法可以用于大面积制备有机薄膜太阳能电池，具有生产成本低，生产效率高的优点。
说明书附图
图1：本发明实施例1柔性电池器件结构示意图；
图2：本发明实施例1银纳米线导电薄膜表面粗糙度；
图3：本发明实施例1太阳能电池J～V曲线图；
图4：本发明实施例3柔性电池器件结构示意图；
图5：本发明太阳能电池的外量子效率图。
具体实施例
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种基于复合导电薄膜的柔性太阳能电池的制备方法，按如下步骤制得：
（1）衬底预处理
将PET衬底在含有清洁剂、丙酮、去离子水和乙醇的超声波浴中连续清洗每一步10min，然后用氮气吹干；
（1）透明复合导电薄膜制备
A、用滚涂法在PET衬底上涂覆上C3Nano公司生产的银纳米线墨水，110℃下真空干燥10分钟，薄膜最终厚度为200nm。
B、将氢氧化镍分散于氨水中，滴入冰乙酸与乙酸铵按照2:1的体积比配置的混合溶液，氢氧化镍、氨水和上述混合溶液的质量比例为2：40:0.02，然后在25℃下磁力搅拌4h，然后静置12h，取上清液，加入去离子水进行稀释，获得喷涂的前驱液，上清液与去离子水体积比为3:10；采用自动喷涂系统，将涂覆了银纳米线的衬底加热至50℃、保温2h，然后继续加热85℃、保温0.5h，最后加热至120℃、保温1h，将前驱液在震荡频率为1MHz下进行雾化后，雾化速率为2mL/min，喷洒于衬底，沉积速率为10nm/min，沉积过程中前驱液分解蒸发，最后形成厚度为50nm的氧化镍均匀涂层；
（3）光敏层制备
将步骤（2）处理后的衬底加热至45℃，采用喷涂法在复合导电薄膜表面制备1层厚度为180nm的PBDB～T:ITIC薄膜，氮气保护下在160℃下退火10min；
（4）阴极缓冲层及低功函数金属薄膜制备
在真空度为2×10-5Pa下，通过多源热蒸发技术，依次在光敏层上制备一层厚度为5nm的LiF和100nm的Al电极。
制备的一种基于银纳米线薄膜太阳能电池结构如图1所示，电池光电转换效率约为12.0%，开路电压为0.86V，短路电流密度可达21.1mA/cm2，填充因子达到了66.3%，器件JV曲线如图3所示。
实施例2
一种基于复合导电薄膜的柔性太阳能电池的制备方法，按如下步骤制得：
（1）衬底预处理
将PET衬底在含有清洁剂、丙酮、去离子水和乙醇的超声波浴中连续清洗每一步10min，然后用氮气吹干；
（2）透明复合导电薄膜制备
A、用刮涂法在PEN衬底上涂覆上C3Nano公司生产的银纳米线墨水，110℃下真空干燥10分钟，薄膜最终厚度为100nm。
B、将氢氧化镍分散于氨水中，滴入冰乙酸与乙酸铵按照1:1的体积比配置的混合溶液，氢氧化镍、氨水和上述混合溶液的质量比例为3：60:0.05，然后在30℃下磁力搅拌3h，然后静置12h，取上清液，加入去离子水进行稀释，获得喷涂的前驱液，上清液与去离子水体积比为6: 1；采用自动喷涂系统，将涂覆了银纳米线的衬底加热至60℃、保温2h，然后继续加热70℃、保温0.5h，最后加热至150℃、保温1h，将前驱液在震荡频率为1.44 MHz下进行雾化后，雾化速率为1mL/min，喷洒于衬底，沉积速率为20nm/min，沉积过程中前驱液分解蒸发，最后形成厚度为10nm的氧化镍均匀涂层。
（3）光敏层制备
将步骤（2）处理后的衬底加热至80℃，采用喷涂法在银纳米线薄膜表面制备1层厚度为90nm的PBDB～T:ITIC薄膜，氮气保护下用160℃温度进行退火5min；
（4）阴极缓冲层及低功函数金属薄膜制备
在真空度低于5×10-5Pa下，通过多源热蒸发技术，依次在光敏层上制备一层厚度为2nm的LiF和200nm的Al电极。
实施例3
一种基于复合导电薄膜的柔性太阳能电池的制备方法，按如下步骤制得：
（1）衬底预处理
将PET衬底在含有清洁剂、丙酮、去离子水和乙醇的超声波浴中连续清洗每一步10min，然后用氮气吹干；
（2）透明复合导电薄膜制备
A、用喷涂法在PET衬底上涂覆上自制的银纳米线墨水，银纳米线墨水中银纳米线质量含量为0.5%，银纳米线直径为30nm，长度为20μm，110℃下真空干燥10分钟，薄膜最终厚度为400nm。
B、将氢氧化镍分散于氨水中，滴入冰乙酸与乙酸铵按照5:1的体积比配置的混合溶液，氢氧化镍、氨水和上述混合溶液的质量比例为2：20:0.01，40℃磁力搅拌1h，然后静置12h，取上清液，加入去离子水进行稀释，获得喷涂的前驱液，上清液与去离子水体积比为3:1；采用自动喷涂系统，将涂覆了银纳米线的衬底加热至50℃、保温2h，然后继续加热65℃、保温0.5h，最后加热至90℃、保温1h，将前驱液在震荡频率为1.2 MHz下进行雾化后，雾化速率为0.1mL/min，喷洒于衬底，沉积速率为5nm/min，沉积过程中前驱液分解蒸发，最后形成厚度为100nm的氧化镍均匀涂层。
（3）光敏层制备
将步骤（2）处理后的衬底加热至25℃，采用喷涂法在银纳米线薄膜表面制备1层厚度为280nm的PTB7:PCBM薄膜；
（4）低功函数金属薄膜制备
在真空度0.8×10-4Pa下，通过多源热蒸发技术，依次在光敏层上制备一层厚度120nm的Ca和70nm的Al电极。
实施例4
一种基于复合导电薄膜的柔性太阳能电池的制备方法，按如下步骤制得：
（1）衬底预处理
将PMMA衬底在含有清洁剂、丙酮、去离子水和乙醇的超声波浴中连续清洗每一步10min，然后用氮气吹干；
（2）透明复合导电薄膜制备
A、用喷涂法在PMMA衬底上涂覆上自制的银纳米线墨水，银纳米线直径为60nm，长度为30μm，110℃下真空干燥10分钟，薄膜最终厚度为400nm。
B、将氢氧化镍分散于氨水中，滴入冰乙酸与乙酸铵按照5:1的体积比配置的混合溶液，氢氧化镍、氨水和上述混合溶液的质量比例为3：40:0.05，40℃磁力搅拌1h，然后静置12h，取上清液，加入去离子水进行稀释，获得喷涂的前驱液，上清液与去离子水体积比为3:5；采用自动喷涂系统，将涂覆了银纳米线的衬底加热至50℃、保温2h，然后继续加热75℃、保温0.5h，最后加热至150℃、保温1h，将前驱液在震荡频率为1 MHz下进行雾化后，雾化速率为1mL/min，喷洒于衬底，沉积速率为15nm/min，沉积过程中前驱液分解蒸发，最后形成厚度为100nm的氧化镍均匀涂层。
（3）光敏层制备
将步骤（2）处理后的衬底加热至25℃，采用喷涂法在银纳米线薄膜表面制备1层厚度为150nm的PTB7～Th:N2200薄膜；
（4）低功函数金属薄膜制备
在真空度1.2×10-5Pa下，通过多源热蒸发技术，依次在光敏层上制备一层厚度40nm的Ca和70nm的Al的复合电极。
实施例5
一种基于复合导电薄膜的柔性太阳能电池的制备方法，按如下步骤制得：
（1）衬底预处理
将PVC衬底在含有清洁剂、丙酮、去离子水和乙醇的超声波浴中连续清洗每一步10min，然后用氮气吹干；
（2）透明复合导电薄膜制备
A、用刮涂法在PVC衬底上涂覆上自制的银纳米线墨水，银纳米线墨水中银纳米线质量含量为0.5%，银纳米线直径为20nm，长度为10μm，110℃下真空干燥10分钟，薄膜最终厚度为100nm。
B、将氢氧化镍分散于氨水中，滴入冰乙酸与乙酸铵按照3:2的体积比配置的混合溶液，氢氧化镍、氨水和上述混合溶液的质量比例为3：20:0.04，在30℃下磁力搅拌2h，然后静置12h，取上清液，加入去离子水进行稀释，获得喷涂的前驱液，上清液与去离子水体积比为2: 5；采用自动喷涂系统，将涂覆了银纳米线的衬底加热至55℃、保温2h，然后继续加热70℃、保温0.5h，最后加热至120℃、保温1h，将前驱液在震荡频率为1.44 MHz下进行雾化后，雾化速率为2mL/min，喷洒于衬底，沉积速率为20nm/min，沉积过程中前驱液分解蒸发，最后形成厚度为60nm的氧化镍均匀涂层；
（3）光敏层制备
将步骤（2）处理后的衬底加热至45℃，采用喷涂法在银纳米线薄膜表面制备1层厚度为200nm的PBDB～T:IT4F薄膜，；
（4）阴极缓冲层及低功函数金属薄膜制备
在真空度2×10-5Pa下，通过多源热蒸发技术，依次在光敏层上制备一层厚度为8nm的LiF和150nm的Al电极。

Claims (6)

1.一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法，包含衬底预处理、透明复合导电薄膜制备、光敏层制备和低功函数金属电极制备；其特征在于：所述柔性太阳能电池的结构为氧化镍与银纳米线的透明复合导电薄膜/光敏层/低功函数金属电极，所述透明复合导电薄膜制备是在柔性衬底上涂覆一层银纳米线层，取氢氧化镍分散于氨水，滴入冰乙酸与乙酸铵的混合溶液，进行磁力搅拌，取上清液进行稀释作为喷涂的前驱液，将衬底加热，将前驱液进行雾化后，喷洒于衬底，沉积成均匀的氧化镍涂层。
2.如权利要求1所述的一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法，其特征在于：所述磁力搅拌之前氢氧化镍、氨水和冰乙酸与乙酸铵的混合溶液的用量质量比为2～3：20～60：0.01～0.05；所述冰乙酸与乙酸铵的混合溶液按照体积比为2～5:1～2配置。
3.如权利要求1或2所述的一种柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述衬底加热具体是将衬底加热至50～60℃、保温2h，然后继续加热65～85℃、保温0.5h，最后加热至90～150℃、保温1h。
4.如权利要求1、2或3所述的一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法，其特征在于：所述低功函数金属电极为Ca：Al复合电极金属薄膜或者Al金属薄膜，当Al作为金属电极时， Al电极和光敏层之间增加一层缓冲层LiF。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种基于透明复合导电薄膜的柔性太阳能电池制备方法，其特征在于：所述氧化镍保护的银纳米复合导电薄膜厚度为110～500nm，光敏层薄膜厚度为90nm～280nm，缓冲层厚度为2～8nm，Al金属膜厚度为70～200nm， Ca金属膜的厚度为40～120nm。
6.一种柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，按如下步骤：
（1）衬底预处理
在含有清洁剂、丙酮、去离子水和乙醇的超声波浴中连续清洗，每一步10min，然后用氮气吹干；
（2）透明复合导电薄膜制备
A、用滚涂、刮涂、旋涂、喷涂等方法在柔性或刚性衬底上涂覆上银纳米线墨水，110℃下真空干燥10分钟，薄膜最终厚度为100～400nm；
B、将氢氧化镍分散于氨水，滴入冰乙酸与乙酸铵的混合溶液，进行磁力搅拌，然后静置12h，上清液为容易分解的镍氨溶液，沉淀为未溶解的氢氧化镍，其中冰乙酸与乙酸铵按照2～5:1～2的体积比混合，氢氧化镍、氨水与混合溶液的质量比为2～3：20～60：0.01～0.05；取上清液，加入去离子水进行稀释作为喷涂的前驱液，其中上清液与去离子水体积比为3～6：1～10；将涂覆了银纳米线的衬底加热，将前驱液在震荡频率为1MHz～1.44 MHz下进行雾化后，雾化率为0.1～2mL/min，喷洒于衬底，沉积速率为5～20nm/min，沉积过程中前驱液分解蒸发，最后形成厚度为10～100nm的氧化镍涂层；
（3）光敏层制备
将步骤（2）处理后的衬底加热至25℃～80℃，采用喷涂法在银纳米线薄膜表面制备1层厚度为90nm～280nm活性层薄膜，部分光敏层需要在氮气保护下，在110℃～160℃下退火，退火时间为5 min～20min；
（4）阴极缓冲层及低功函数金属薄膜制备
阴极缓冲层及低功函数金属薄膜制备都在多源热蒸发系统中依次完成，通过真空热蒸发技术制备一层厚度为2～8nm的LiF和70～200nm的Al电极，其中LiF为缓冲层；或制备一层厚度为40～120nm的Ca和70～200nm的Al电极。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112133834A (zh) * 2020-11-03 2020-12-25 上海大学 一种基于复合维度柔性透明电极的紫外稳定太阳能电池
CN112652721A (zh) * 2020-12-22 2021-04-13 中国科学院长春应用化学研究所 低电阻高透过率低粗糙度的银纳米线复合电极及其制备方法和应用

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