CN112133834A - 一种基于复合维度柔性透明电极的紫外稳定太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合维度的柔性透明电极、太阳能电池及制备方法，优化了传统柔性电极技术，设计了一种复合维度柔性透明电极。通过将纳米线压入导电聚合物PMMA中降低了电极的粗糙度，金纳米颗粒的引入填充了纳米线之间的空白部分提升了电极的导电性，增强了光吸收，加入氧化石墨烯后可以提升电极的机械韧性，在弯折上千次后，导电性没有大幅度下降，而且复合维度柔性电极对紫外光有一定吸收，可以提升在此电极基础上制备的柔性有机太阳能电池的紫外稳定性。

Description

一种基于复合维度柔性透明电极的紫外稳定太阳能电池
技术领域
本发明涉及柔性太阳能电池技术领域，特别是涉及一种基于复合维度柔性透明电极的紫外稳定太阳能电池。
背景技术
现有的柔性电极中，采用的主要是ITO(Indium tin oxide)或者单一的银纳米线。当使用ITO柔性电极时，由于ITO的机械韧性较差，在多次弯折以后，ITO电极可能会发生断裂或者从柔性基板上脱落，导致器件失效。当使用单一的银纳米线作为电极时，旋涂的银纳米线电极粗糙度较高，可能击穿器件的活性层导致器件失效，而且银纳米线的接触电阻较大，导致器件效率远远低于ITO电极。
因此，本领域亟需一种解决ITO电极与柔性基板引起的电极脱落问题和单一银纳米线电极粗糙度较高容易击穿活性层导致器件失效问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于复合维度柔性透明电极的紫外稳定太阳能电池，解决目前ITO电极与柔性基板引起的电极脱落问题和单一银纳米线电极粗糙度较高容易击穿活性层导致器件失效问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种复合维度的柔性透明电极，所述柔性透明电极包括：柔性基板层、表面附着层和氧化石墨烯层；
所述柔性基板层为所述柔性透明电极的基层；
所述柔性基板上依次设置所述表面附着层和所述氧化石墨烯层；
所述表面附着层内压制有金属纳米线和金属纳米颗粒，所述表面附着层表面平整光滑。
可选的，所述金属纳米线为：金纳米线、银纳米线或铜纳米线。
可选的，所述金属纳米颗粒为：金纳米颗粒、银纳米颗粒或铜纳米颗粒。
可选的，所述表面附着层为PMMA层。
一种复合维度的柔性透明电极的制备方法，所述制备方法包括：
制备表面附着层；
制备金属纳米线与金属纳米颗粒的混合溶液；
在柔性基板上旋涂所述表面附着层；
在旋涂完表面附着层的柔性基板上旋涂所述金属纳米线与金属纳米颗粒的混合溶液，然后将所述金属纳米线与金属纳米颗粒压入所述表面附着层中；
在压入金属纳米线与金属纳米颗粒的表面附着层上喷涂一层氧化石墨烯，形成柔性透明电极。
可选的，所述在压入金属纳米线与金属纳米颗粒的表面附着层上喷涂一层氧化石墨烯，形成柔性透明电极之前还包括：
将压入金属纳米线与金属纳米颗粒的所述表面附着层进行退火处理。
一种紫外稳定太阳能电池，所述太阳能电池包括自上而下分布的柔性透明电极层、空穴传输层、活性层、电子注入层和阴极层；
所述柔性透明电极层由柔性透明电极构成，所述柔性透明电极包括：柔性基板层、表面附着层和氧化石墨烯层；所述柔性基板层为所述柔性透明电极的基层；所述柔性基板上依次设置所述表面附着层和所述氧化石墨烯层；所述表面附着层内压制有金属纳米线和金属纳米颗粒，所述表面附着层表面平整光滑；
所述空穴传输层为PEDOT:PSS，所述活性层为PBDB-T:ITIC。
可选的，所述电子注入层为Liq；所述阴极层为铝。
一种紫外稳定太阳能电池的制备方法，所述方法包括：
在柔性透明电极上旋涂PEDOT:PSS溶液；
在旋涂完PEDOT:PSS溶液的柔性透明电极上旋涂PBDB-T:ITIC混合溶液；
在旋涂完PBDB-T:ITIC混合溶液的柔性透明电极上蒸镀电子注入层；
在蒸镀完电子注入层的柔性透明电极上蒸镀阴极层。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明优化了传统柔性电极技术，设计了复合维度柔性透明电极。通过将纳米线压入表面附着层中降低了电极的粗糙度，采用复合维度的纳米结构替代了传统的金属纳米线，同时金纳米颗粒的引入可以产生等离激元效应，而且其还填充了纳米线之间的空白部分提升了电极的导电性，增强了光吸收，加入氧化石墨烯后可以提升电极的机械韧性，在弯折上千次后，导电性没有大幅度下降，而且复合维度柔性电极对紫外光有较强的吸收，可以提升在此电极基础上制备的柔性有机太阳能电池的紫外稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的复合维度的柔性透明电极的制备方法的控制流程图。
图2为本发明实施例一提供的复合维度的柔性透明电极的制备方法的过程示意图。
图3为本发明实施例二提供的紫外稳定太阳能电池的制备方法的控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明的目的是提供一种复合维度的柔性透明电极、太阳能电池及制备方法，解决目前ITO电极与柔性基板引起的电极脱落问题和银纳米线电极容易击穿器件问题，本发明所制备的柔性电极不仅与基板接触良好不易脱落而且电极粗糙度较低，提高了器件的成品率和可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
一种复合维度的柔性透明电极，包括：柔性基板层、表面附着层和氧化石墨烯层；
所述柔性基板层为所述柔性透明电极的基层；
所述柔性基板上依次设置所述表面附着层和所述氧化石墨烯层；
所述表面附着层为聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)，PMMA)层；所述表面附着层内压制有金属纳米线和金属纳米颗粒，通过将纳米线压入导电聚合物PMMA中，从而降低了电极的粗糙度，使得所述表面附着层的表面平整光滑，同时金属纳米颗粒的引入填充了金属纳米线之间的空白部分，从而提升了电极的导电性，增强了光吸收能力。
所述氧化石墨烯层完全包覆住所述金属纳米线和所述金属纳米颗粒，加入氧化石墨烯后可以提升电极的机械韧性，在弯折上千次后，电极的导电性没有大幅度下降，而且复合维度柔性电极对紫外光有一定吸收，可以提升在此电极基础上制备的柔性有机太阳能电池的紫外稳定性。
作为一种可选的实施方式，所述金属纳米线为：金纳米线、银纳米线或铜纳米线；所述金属纳米颗粒为：金纳米颗粒、银纳米颗粒或铜纳米颗粒；所述氧化石墨烯层为：氧化石墨烯。
本发明实施例提供的复合维度的柔性透明电极，是基于零维银纳米粒子、一维银纳米线以及二维石墨烯混合构筑的新型透明导电电极(Flexible transparentelectrode，FTE)，其充分利用不同维度纳米结构的优异性能，研制出了一种高效耐紫外的无ITO柔性有机太阳电池(Organic solar cell，OSCs)。这一新型FTE在较低的处理温度下具有很高的光学透过率和导电性、良好的空气稳定性以及全溶液处理能力。并且，其基于PBDB-T:ITIC体系的柔性非富勒烯OSCs具有8.15％的平均能量转换效率和出色的紫外耐久性，这是由于新型FTE在<380nm的紫外波段内具有特定的吸收。
如图1和图2所示，所述复合维度的柔性透明电极的制备方法如下：
A1、制备表面附着层；所述表面附着层为PMMA溶液。
A2、制备金属纳米线与金属纳米颗粒的混合溶液，所述混合溶液中纳米线浓度为10mg/ml，纳米颗粒浓度为光学密度OD＝5，所述混合溶液中纳米线溶液与纳米颗粒溶液的体积比为1:1，即NWs:NPs＝1:1；
A3、在柔性基板上旋涂所述表面附着层；
先清洗柔性基板，将柔性基板放入盛有去离子水的玻璃罐中，加入去污粉和洗洁精，使用超声机超声90分钟，再将罐中的溶液依次更换为去离子水、丙酮、异丙醇，分别超声90分钟，完成柔性基板的清洗；
然后在柔性基板上以3000rpm的转速旋涂PMMA溶液1分钟，完成表面附着层的旋涂。
A4、在旋涂完表面附着层的柔性基板上旋涂所述金属纳米线与金属纳米颗粒的混合溶液，然后将所述金属纳米线与金属纳米颗粒压入所述表面附着层中；
在旋涂完表面附着层的柔性基板上以2000rpm的转速旋涂金属纳米线和金属纳米颗粒的混合溶液1分钟，最后用机械压力将所述金属纳米线和所述金属纳米颗粒压入所述表面附着层中。
A5、在压入金属纳米线与金属纳米颗粒的表面附着层上喷涂一层氧化石墨烯，形成柔性透明电极；
将压入金属纳米线与金属纳米颗粒的所述表面附着层进行100℃退火10分钟以后，喷涂一层厚度约为20nm的氧化石墨烯包覆纳米线和纳米颗粒，形成柔性导电电极。
本发明实施例提供的复合维度的柔性透明电极的制备方法，提供了一种用于柔性稳定OSCs中的ITO电极替代品。实验表明，本发明制备的柔性电极在可见光范围内的平均光学透过率约为81％，薄膜电阻为23ohm sq-1，在弯折一千次测试以后，薄膜电阻仅上升到34.5ohm sq-1。在紫外照射60分钟条件下，以复合FTE为电极的有机太阳能电池器件的功率转换效率仅降低了20％。
实施例二：
一种紫外稳定太阳能电池，包括自上而下分布的柔性透明电极层、空穴传输层、活性层、电子注入层和阴极层；
所述柔性透明电极层由柔性透明电极构成，所述柔性透明电极包括：柔性基板层、表面附着层和氧化石墨烯层；所述柔性基板层为所述柔性透明电极的基层；所述柔性基板上依次设置所述表面附着层和所述氧化石墨烯层；所述表面附着层内压制有金属纳米线和金属纳米颗粒，所述表面附着层表面平整光滑；
所述空穴传输层为PEDOT:PSS，所述活性层为PBDB-T:ITIC；所述电子注入层为Liq(8-羟基喹啉基锂)；所述阴极层为铝。
本发明实施例提供的紫外稳定太阳能电池以上述复合维度的柔性透明电极为基础，再加上空穴传输层、活性层、电子注入层和阴极层制备而成，其制备方法如图3所示，具体方法包括：
B1、在柔性透明电极上旋涂PEDOT:PSS溶液作为柔性太阳能电池的空穴传输层；
B2、在旋涂完PEDOT:PSS溶液的柔性透明电极上旋涂PBDB-T:ITIC混合溶液作为柔性太阳能电池的活性层；
B3、在旋涂完PBDB-T:ITIC混合溶液的柔性透明电极上蒸镀电子注入层；
利用真空蒸镀法在旋涂完PBDB-T:ITIC混合溶液的柔性透明电极上蒸镀1nm的Liq作为电子注入层。
B4、在蒸镀完电子注入层的柔性透明电极上蒸镀阴极层；
利用真空蒸镀法在旋涂完PBDB-T:ITIC混合溶液的柔性透明电极上蒸镀100nm的Al作为有机太阳能电池的阴极。
所述真空蒸镀法的操作过程为：操作仪器，对蒸镀舱抽真空，使蒸镀舱内部真空度达到10-5Pa以下，预热坩埚，使需要蒸镀的材料达到蒸镀温度，随后蒸镀在旋涂完PBDB-T:ITIC混合溶液的柔性透明电极上。
本发明实施例提供的复合维度的柔性太阳能电池，采用高效耐紫外的无ITO复合维度的柔性透明电极，所述电极采用了复合维度的纳米结构替代了传统的金属纳米线，金纳米颗粒的引入可以产生等离激元效应而且可以填充纳米线之间的空隙提升导电性，氧化石墨烯可以提高柔性电极的机械韧性。
同时，复合维度电极不仅具有柔性电极的优越性而且对紫外光有一定吸收，可以提升有机太阳能电池器件在紫外光照条件下的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种复合维度的柔性透明电极，其特征在于，所述柔性透明电极包括：柔性基板层、表面附着层和氧化石墨烯层；
所述柔性基板层为所述柔性透明电极的基层；
所述柔性基板上依次设置所述表面附着层和所述氧化石墨烯层；
所述表面附着层内压制有金属纳米线和金属纳米颗粒，所述表面附着层表面平整光滑。
2.根据权利要求1所述的复合维度的柔性透明电极，其特征在于，所述金属纳米线为：金纳米线、银纳米线或铜纳米线。
3.根据权利要求1所述的复合维度的柔性透明电极，其特征在于，所述金属纳米颗粒为：金纳米颗粒、银纳米颗粒或铜纳米颗粒。
4.根据权利要求1所述的复合维度的柔性透明电极，其特征在于，所述表面附着层为PMMA层。
5.一种如权利要求1-4所述的复合维度的柔性透明电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
制备表面附着层；
制备金属纳米线与金属纳米颗粒的混合溶液；
在柔性基板上旋涂所述表面附着层；
在旋涂完表面附着层的柔性基板上旋涂所述金属纳米线与金属纳米颗粒的混合溶液，然后将所述金属纳米线与金属纳米颗粒压入所述表面附着层中；
在压入金属纳米线与金属纳米颗粒的表面附着层上喷涂一层氧化石墨烯，形成柔性透明电极。
6.根据权利要求5所述的复合维度的柔性透明电极的制备方法，其特征在于，所述在压入金属纳米线与金属纳米颗粒的表面附着层上喷涂一层氧化石墨烯，形成柔性透明电极之前还包括：
将压入金属纳米线与金属纳米颗粒的所述表面附着层进行退火处理。
7.一种紫外稳定太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括自上而下分布的柔性透明电极层、空穴传输层、活性层、电子注入层和阴极层；
所述柔性透明电极层由柔性透明电极构成，所述柔性透明电极包括：柔性基板层、表面附着层和氧化石墨烯层；所述柔性基板层为所述柔性透明电极的基层；所述柔性基板上依次设置所述表面附着层和所述氧化石墨烯层；所述表面附着层内压制有金属纳米线和金属纳米颗粒，所述表面附着层表面平整光滑；
所述空穴传输层为PEDOT:PSS，所述活性层为PBDB-T:ITIC。
8.根据权利要求7所述的紫外稳定太阳能电池，其特征在于，
所述电子注入层为Liq；所述阴极层为铝。
9.一种如权利要求7-8所述的紫外稳定太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在柔性透明电极上旋涂PEDOT:PSS溶液；
在旋涂完PEDOT:PSS溶液的柔性透明电极上旋涂PBDB-T:ITIC混合溶液；
在旋涂完PBDB-T:ITIC混合溶液的柔性透明电极上蒸镀电子注入层；
在蒸镀完电子注入层的柔性透明电极上蒸镀阴极层。
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