大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法

專利名稱：大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能電池的制備方法，具體的說是一種溶液制備型大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法。
背景技術：
隨著世界經濟快速發展，能源緊缺問題漸漸顯現出來，人們逐漸意識到化石能源有一天可能會枯竭，于是開始尋找可能的替代能源。太陽能分布廣闊、數量豐富又不污染環境，因此太陽能的轉化利用受到各個國家的高度重視。目前應用最廣泛的太陽能電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅系列的無機太陽能電池，然而無機太陽能電池加工工序非常復雜，對環境要求苛刻，成本過高，不利于民用普及，而有機太陽能電池在這些方面則顯示出了它的優點。有機太陽能電池在制造工序方面比較簡單，根據其制造工序的不同可分為真空鍍膜型電池和溶液制備型電池。溶液制備型電池由于可在電子給體和電子供體間形成性能良好的體異質結，其性能要比真空鍍膜型電池更出色，因此對溶液制備型電池的研究更為關注。溶液制備型電池的電子給體和供體材料都是通過溶液制備的聚合物，這也為產業化的低成本、大規模需求提供了方便。目前實驗室一般通過旋涂或刮涂溶液的工序來制備有機太陽能電池，而實驗室制備的有機太陽能電池的尺寸一般較小，不能滿足工業化大面積有機太陽能電池的需求。

發明內容
本發明的目的就是提供一種大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，以獲得大面積有機太陽能電池，滿足工業化需求。本發明是這樣實現的:一種大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:a、通過刻蝕工序在柔性襯底上形成陽極；b、將具有陽極的所述柔性襯底安裝在涂布裝置前方的阻尼放卷機構上，在經過涂布裝置三道連續涂布工序的三次涂布后，在所述柔性襯底的所述陽極上依次形成空穴傳輸層、有機活性層和陰極，從而形成有機太陽能電池；C、對所述有機太陽能電池進行裁切、接電極引腳和封裝，即為成品。在上述b步的每道涂布工序中，所述柔性襯底是依次通過所述涂布裝置中的膠輥、轉印輥、涂布輥、檢測機構、熱風嘴和固定輥，所述轉印輥與所述涂布輥為對輥結構，所述轉印輥從所述涂布裝置中的料槽中連續沾取轉印溶液。涂布空穴傳輸層所用的轉印溶液為PEDOT: PSS溶液。涂布有機活性層所用的轉印溶液為由電子給體材料和電子供體材料組成的混合溶液；所述電子給體材料為P3HT、PCDTBT、PCPDTBT、PBDTTT-C-T或酞菁銅，所述電子供體材料為 PC61BM、PC71BM 或 ICBA。
在涂布有機活性層所用的轉印溶液中摻雜有納米金、納米銀或納米鋁。涂布陰極所用的轉印溶液為導電銀或導電鋁墨水。所述柔性襯底在所述各道涂布工序保持相同的運行速度，所述運行速度為
0.1 4m/s。所述各道涂布工序中的所述熱風嘴噴出的熱風溫度為2(T150°C。所制有機太陽能電池的寬度為f 13cm。本發明制備方法，首先通過刻蝕工序在柔性襯底上形成陽極，之后將該具有陽極的所述柔性襯底安裝在涂布裝置前方的阻尼放卷機構上，在經過涂布裝置三道連續涂布工序的三次涂布后，在所述柔性襯底的所述陽極上依次形成空穴傳輸層、有機活性層和陰極，從而形成有機太陽能電池。由于每一道涂布工序均是以類似印刷的方式來完成，這樣，柔性襯底的寬度就可以大幅增加，從而制備出大面積的有機太陽能電池，滿足工業化的使用需要。再有，通過三道連續的涂布工序在柔性襯底的陽極上依次形成空穴傳輸層、有機活性層和陰極，這種制備方式相比實驗室的旋涂或刮涂溶液的制備方法，既提高了工效，縮短了有機太陽能電池的制作時間；又可減少轉印溶液的浪費，制作成本相應降低。本發明通過相應的涂布裝置，并通過三道連續的涂布工序后在柔性襯底的陽極上依次形成空穴傳輸層、有機活性層和陰極，這種制備有機太陽能電池的方法相比實驗室中的旋涂或刮涂溶液的方法，具有如下優點:第一，節省了有機太陽能電池的制作時間，提高了制作效率；第二，減少了溶液的浪費，節約了成本；第三，可制備大面積的有機太陽能電池，從而有望實現有機太陽能電池的產業化生產；第四，能保證大面積有機太陽能電池的成膜均勻性與厚度的精確控制，保證了有機太陽能電池的轉換效率。


圖1是本發明所制有機太陽能電池的層面結構示意圖。圖2是本發明中的三道涂布工序的工作流程圖。
具體實施例方式參考圖1，本發明所制有機太陽能電池的結構包括:柔性襯底5，依次位于所述柔性襯底5上的陽極4、空穴傳輸層3、有機活性層2和陰極I。所述陰極I材料可以是各種金屬墨水，如銀墨水、招墨水或混合金屬墨水。所述有機活性層2材料可以是具有電子給體和電子供體的混合溶液。所述混合溶液中電子給體材料可以選擇聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[[9_(1_辛基壬基)-9H-咔唑-2，7- 二基]-2，5-噻吩二基-2，I, 3-苯并噻二唑-4，7- 二基-2，5-噻吩二基](PCDTBT)、聚[2，6-(4，4_ 雙-(2-乙基烷基)-4H-環戊并[2，l-b;3，4-b' ]二噻吩)-并_4，7 (2，1，3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)、聚{[4，8-雙-(2-乙基-己基噻吩-5-基)-苯并[l,2-b:4, 5-b，] 二噻吩-2，6-二基]-替代-[2-(2’-乙基-己酰基)-噻吩并[3，4-b]噻吩-4，6- 二取代基]} (PBDTTT-C-T)或酞菁銅(CuPC)等。所述電子供體材料可以選擇C60的富勒烯衍生物(PC61BM)或C70的富勒烯衍生物(PC71BM)或茚與C60雙加成物(ICBA)等。在有機活性層2中可以摻雜各種納米粒子，如納米金、納米銀或納米鋁等，以提高電池的轉換效率。所述空穴傳輸層3材料可以選擇聚3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸鹽(PED0T:PSS)溶液。所述陽極4材料可以選擇氧化銦錫(ITO)膜或摻雜氟的SnO2透明導電膜(FT0)。參考圖2，本發明的具體過程如下:首先按照鍍膜、涂光刻膠層、光刻、顯影和去光刻膠層等常規蝕刻工藝步驟，在柔性襯底上刻蝕出陽極；之后將具有陽極的柔性襯底安裝在涂布裝置前方的阻尼放卷機構6上，然后使該柔性襯底經過涂布裝置中的三道連續涂布工序的三次涂布后，在柔性襯底的所述陽極上依次形成空穴傳輸層、有機活性層和陰極。涂布裝置中的每一道涂布工序中所用部件包括:膠輥7、料槽8、刮刀11、轉印輥10、涂布輥12、設置在轉印輥10和涂布輥12上的伺服電機9、檢測機構13、熱風嘴14、固定棍15及同步機構16等。轉印棍10與涂布棍12為對棍結構,柔性襯底從該對棍結構中通過，實現涂布轉印。料槽8內放置相應的轉印溶液，轉印輥10上設有多條凹槽，轉印輥10浸入料槽8中，以沾附相應的轉印溶液。在轉印輥10的軸頭上設置有伺服電機9，轉印輥10上的伺服電機9可以控制轉印輥10與刮刀11之間的相對位置，通過刮刀11可以將轉印輥10表面所沾附的轉印溶液刮掉。在涂布輥12的軸頭上還設置有另外兩個伺服電機，其中左邊的伺服電機用于控制涂布輥12的左右運動，進而使得涂布輥12與轉印輥10的兩端對齊；右邊的伺服電機用于控制涂布輥12與轉印輥10之間的距離，進而控制涂布后涂層的長度。膠輥7用于支撐并調節柔性襯底的方向，通過膠輥7將柔性襯底送入轉印輥10和涂布輥12之間，柔性襯底隨著涂布輥12的轉動而傳動。在傳動過程中，在柔性襯底的陽極表面上將涂布上轉印輥10凹槽里所附著的轉印溶液。若凹槽的個數為十，且每一凹槽的寬度為Icm,深度為I μ m,即可在柔性襯底的陽極上涂布出十條寬為Icm,厚度為I μ m的涂層，為了使得這十條涂層的長度滿足要求，可以通過涂布輥上的伺服電機的控制，當所得涂層達到所需長度時，控制涂布輥12遠離轉印輥10，完成第一道涂布工序。經過第一道涂布工序后，從涂布輥12上送出的具有空穴傳輸層涂層的柔性襯底經過檢測機構13，檢測機構13實時檢測涂布后涂層的好壞，之后使柔性襯底經過熱風嘴14將涂布好的涂層烘干，烘干后的柔性襯底通過固定輥15和同步機構16后進入下一道涂布工序。通過調節同步機構16可以保證各道涂布工序同步。涂布工序中涂布輥12通過其上的伺服電機調整精度，調整范圍為f ΙΟμπι。熱風烘干時，熱風嘴14所噴熱風溫度可以設定，設置熱風溫度范圍可以在2(T150° C之間，這三道涂布工序中設置三個熱風嘴所噴熱風溫度可以相同，也可以不同；熱風范圍可從熱風嘴14中心至其周圍20cm的范圍內。每一道涂布工序中柔性襯底的運行速度均相同，運行速度在0.l 4m/s之間。轉印輥上凹槽的深度可以設定，同一轉印輥上凹槽的深度應當相同，不同轉印輥上凹槽的深度可以不同，凹槽的深度可以在f IOym之間。凹槽的深度決定了涂層的厚度，凹槽的寬度決定了一條涂層的寬度，涂層的長度可以由涂布輥上的伺服電機來控制。當涂層的長度達到要求時，通過相應的伺服電機控制涂布輥離開轉印輥，即不再涂布。本發明中轉印輥的最大寬度為20cm，若設置每條凹槽的寬度為1cm，相鄰兩條凹槽的間距為0.5cm，則一個轉印輥上最多可設置十三條凹槽，此時所形成的有機太陽能電池的最大寬度可達13cm。當然，凹槽的寬度以及相鄰凹槽之間的間距也可以設置成與此不同的尺寸，具體情況可視所需制作的有機太陽能電池的樣式、大小等條件而定。經過三道涂布工序后，后面通過裁切、接電極引腳、封裝等后續工作最終制成帶柔性襯底的有機聚合物太陽能電池。下面以兩個具體實施例詳細描述本發明的技術方案。實施例1首先將事先配制好并混合均勻的PEDOT: PSS溶液、P3HT: PC61BM溶液、導電銀墨水依序分別注入三個料槽。這三種溶液的配制參數分別為:PEDOT: PSS溶液中溶質與溶劑的質量體積百分比為1%;P3HT: PC61BM溶液中P3HT和PC61BM的比例相同，溶劑為氯苯，溶質與溶劑的質量體積百分比為2.5% ;導電銀墨水中溶質與溶劑的質量體積百分比為2%。將刻蝕好ITO電極的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性襯底卷安置在阻尼放卷機構I上，精確定位起始位置，并調整各同步機構，使三道涂布裝置起始位置相同。將涂布裝置的運行速度設定為0.lm/s，三道涂布工序的速度相同。第一道涂布工序，此工序中的轉印輥上設置有十條凹槽，每條凹槽的寬度為1cm，深度為3 μ m，相鄰凹槽的間距為0.5cm ;通過涂布輥上的伺服電機控制所形成的涂層的長度為IOcm ;熱風嘴所噴熱風溫度設定為130°C。第二道涂布工序，此工序中的轉印輥上設置有十條凹槽，每條凹槽的寬度為1cm，深度為6 μ m，相鄰凹槽的間距為0.5cm ;通過涂布輥上的伺服電機控制所形成的涂層的長度為IOcm ;熱風嘴所噴熱風溫度設定為130°C。第三道涂布工序，此工序中的轉印輥上設置有十條凹槽，每條凹槽的寬度為1cm，深度為5 μ m，相鄰凹槽的間距為0.5cm ;通過涂布輥上的伺服電機控制所形成的涂層的長度為10.5cm，相比前兩道工序來說，此工序中所形成的涂層要長0.5cm，長出的0.5cm可以制作電極引腳，便于電池并聯；熱風嘴所噴熱風溫度設定為145°C。經過三道涂布工序的涂布之后，即可得到十塊面積為IXlOcm2的有機太陽能電池，之后進行裁切，再接出電極引腳，再經封裝后，就得到一塊面積為IOXlOcm2的有機聚合物太陽能電池。實施例2首先將事先配制好并混合均勻的PEDOT: PSS溶液、P⑶TBT: PC71BM溶液、導電銀墨水依序分別注入三個料槽。這三種溶液配制參數分別為:PED0T: PSS溶液中溶質與溶劑的質量體積百分比為1%;PCDTBT: PC71BM溶液中PCDTBT和PC71BM的比例為I: 4，溶劑為氯仿與氯苯以相同比例形成的混合溶劑，溶質與溶劑的質量體積百分比為2% ;導電銀墨水中溶質與溶劑的質量體積百分比為2%。將刻蝕好ITO電極的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性襯底卷安置在阻尼放卷機構I上，精確定位起始位置，并調整各同步機構，使三道涂布裝置起始位置相同。將涂布裝置的運行速度設定為0.lm/s，三道涂布工序速度相同。第一道涂布工序，此工序中的轉印輥上設置有十條凹槽，每條凹槽的寬度為1cm，深度為3 μ m，相鄰凹槽的間距為0.5cm ;通過涂布輥上的伺服電機控制所形成的涂層的長度為IOcm ;熱風嘴所噴熱風溫度設定為130°C。第二道涂布工序，此工序中的轉印輥上設置有十條凹槽，每條凹槽的寬度為1cm，深度為8 μ m，相鄰凹槽的間距為0.5cm ;通過涂布輥上的伺服電機控制所形成的涂層的長度為IOcm ;熱風嘴所噴熱風溫度設定為90°C。第三道涂布工序，此工序中的轉印輥上設置有十條凹槽，每條凹槽的寬度為1cm，深度為5 μ m，相鄰凹槽的間距為0.5cm ;通過涂布輥上的伺服電機控制所形成的涂層的長度為10.5cm，相比前兩道工序來說，此工序中所形成的涂層要長0.5cm，長出的0.5cm可以制作電極引腳，便于電池并聯；熱風嘴所噴熱風溫度設定為145°C。經過三道涂布工序，得到十塊面積為IXlOcm2的有機太陽能電池，之后進行裁切，再接出電極引腳，再經封裝后，就得到一塊面積為IOXlOcm2的有機聚合物太陽能電池。
權利要求
1.一種大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a、通過刻蝕工序在柔性襯底上形成陽極； b、將具有陽極的所述柔性襯底安裝在涂布裝置前方的阻尼放卷機構上，在經過涂布裝置三道連續涂布工序的三次涂布后，在所述柔性襯底的所述陽極上依次形成空穴傳輸層、有機活性層和陰極，從而形成有機太陽能電池； C、對所述有機太陽能電池進行裁切、接電極引腳和封裝，即為成品。
2.根據權利要求1所述的大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，在上述b步的每道涂布工序中，所述柔性襯底是依次通過所述涂布裝置中的膠輥、轉印輥、涂布輥、檢測機構、熱風嘴和固定輥，所述轉印輥與所述涂布輥為對輥結構，所述轉印輥從所述涂布裝置中的料槽中連續沾取轉印溶液。
3.根據權利要求2所述的大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，涂布空穴傳輸層所用的轉印溶液為PEDOT: PSS溶液。
4.根據權利要求2所述的大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，涂布有機活性層所用的轉印溶液為由電子給體材料和電子供體材料組成的混合溶液；所述電子給體材料為P3HT、PCDTBT、PCPDTBT、PBDTTT-C-T或酞菁銅，所述電子供體材料為PC61BM、PC71BM 或 ICBA。
5.根據權利要求4所述的大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，在所述轉印溶液中摻雜有納米金、納米銀或納米鋁。
6.根據權利要求2所述的大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，涂布陰極所用的轉印溶液為導電銀或導電鋁墨水。
7.根據權利要求f6任一項所述的大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述柔性襯底在所述各道涂布工序保持相同的運行速度，所述運行速度為0.r4m/So
8.根據權利要求f6任一項所述的大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述各道涂布工序中的所述熱風嘴噴出的熱風溫度為20 150°C。
9.根據權利要求f6任一項所述的大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，其特征在于，所制有機太陽能電池的寬度為廣13cm。
全文摘要
本發明提供了一種大面積有機聚合物太陽能電池的制備方法，該方法包括以下步驟a、通過刻蝕工序在柔性襯底上形成陽極；b、將具有陽極的所述柔性襯底安裝在涂布裝置前方的阻尼放卷機構上，在經過涂布裝置三道連續涂布工序的三次涂布后，在所述柔性襯底的所述陽極上依次形成空穴傳輸層、有機活性層和陰極，從而形成有機太陽能電池；c、對所述有機太陽能電池進行裁切、接電極引腳和封裝，即為成品。采用本發明可制備出大面積的有機太陽能電池；并且還可節省制作時間，提高效率；減少溶液的浪費，節約成本。
文檔編號H01L51/48GK103078060SQ20131002997
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月25日 優先權日2013年1月25日
發明者楊少鵬, 劉博雅, 史江波, 李曉葦, 傅廣生 申請人:河北大學