一種反型有機太陽能電池的簡易制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種反型有機太陽能電池器件的簡易制備方法。該反型有機太陽能電池的結構自下而上依次為透明導電襯底，陰極修飾層，有機活性層，陽極修飾層和陽極電極。其中陰極修飾層為采用一步法制備的致密非晶TiO2薄膜。本發明公開的反型有機太陽能電池的簡易制備方法，相比于磁控濺射、脈沖激光沉積等物理制備工藝，具有制備工藝簡單，有利于大幅度降低有機太陽能電池的成本；相比于先合成TiO2、ZnO納米顆粒，再分散旋膜的制備方法，具有成膜迅速、致密的優點，適合快速、低成本的大面積工業化制備。本發明更適合大規模的卷對卷印刷制備柔性太陽能電池。
【專利說明】一種反型有機太陽能電池的簡易制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能電池領域，具體涉及一種反型有機太陽能電池的簡易制備方法。
【背景技術】
[0002]能源是人類用來維持生存活動的能量來源。隨著社會經濟的發展，人們對能源的需求越來越大，常用的化石能源的存量有限，并日漸枯竭。因此除了對化石資源開源節流夕卜，急需開發替代新能源，其中太陽能是最重要的可再生資源和取之不盡的清潔能源，將太陽能轉換為電能的太陽能電池引起了人們的廣泛關注。
[0003]眾多種類的太陽能電池中，以單晶硅和多晶硅技術最為成熟，但由于其成本高、工藝復雜、環境污染大等問題，限制了此類太陽電池的大規模應用。因此，要使太陽能發電得到大規模推廣，就必須提高太陽能電池的效率、降低成本。
[0004]有機太陽能電池技術被認為是最有吸引力、廉價的太陽能電池技術之一。一是電池中所用的有機活性層材料的制備成本低、結構易于裁剪、柔韌性良好、消光系數高、成膜性俱佳等優點。二是有機太陽能電池的制備工藝不需要涉及無機物濺射、化學氣相沉積、高純度硅晶體生長、摻雜等昂貴的薄膜工藝過程，可以利用旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷等制備技術，具有易實現大面積制造、工藝簡單、可使用柔性襯底、環境友好、輕便易攜帶、制作成本低等特點。
[0005]近年來，隨著對有機太陽能電池材料和器件結構的不斷探索，有機太陽能電池的效率已經達到了 8%?10%。但目前報道的高性能有機太陽能電池器件，大都采用正型太陽能電池，同時陽極緩沖層采用PEDOT:PSS，而PED0T:PSS材料對ITO電極有很強的腐蝕性，另外，正型太陽能電池陰極電極所使用的易氧化的低功函金屬材料等大大降低了太陽能電池器件的壽命和穩定性。
[0006]有機太陽能電池中，作為研究熱點的反型有機太陽能電池的結構自下而上依次為透明導電襯底、陰極修飾層、有機活性層、陽極修飾層和陽極電極。反型電池避免了PEDOT: PSS及低功函數材料的使用，可以大大提高有機太陽能電池器件的穩定性。反型有機太陽能電池的關鍵之一在于制備能級結構合適、功函數匹配、導電率高的透明氧化物(通常為TiO2或ZnO)修飾層作為電子收集層和空穴阻擋層，用以修飾ITO電極。發展可以工業化大規模生產的低溫制備工藝以獲得滿足上述要求的TiO2或ZnO或其它修飾層是反型有機太陽能電池研發領域中亟需解決的一個重要技術瓶頸。
[0007]目前制備TiO2或ZnO薄膜，一種方法是采用磁控濺射、脈沖激光沉積等工藝復雜、成本高的物理方法，限制了大規模生產。另一種方法是先合成TiO2或ZnO納米顆粒，再分散配成溶液，但此方法不僅增加了工藝的復雜性，而且合成的納米顆粒的均勻性很難控制，成膜性較差。另外物理法制備薄膜對襯底有一定要求，難于實現柔性器件的生產。這些問題限制了其大規模應用。
【發明內容】
[0008]本發明提供一種可以實現工藝簡單、低溫、低成本、可工業化大規模生產的反型太陽能電池器件的制備方法。
[0009]為達成上述目的，本專利所述反型有機太陽能電池器件由下而上具體特征包括:透明導電襯底，此襯底作為陰極層，是一類刻蝕出圖形的高透過率導電材料。
[0010]陰極修飾層，是采用鈦酸乙酯，或者鈦酸異丙酯，或鈦酸四丁酯的醇溶液旋涂于透明導電襯底上，空氣中后處理得到致密非晶TiO2薄膜。本發明所述的醇溶液為乙醇，異丙醇，丁醇。
[0011 ] 有機活性層，是一層導電共軛聚合物或小分子和富勒烯衍生物的共混物。
[0012]陽極修飾層，是一層氧化鑰、氧化鎢、氧化鎳或氧化釩材料。
[0013]陽極電極，是一層高功函數的金、銀、銅或鋁。
[0014]本專利所說的反型有機太陽能電池的具體制備步驟如下。
[0015]步驟1，對透明導電襯底進行清洗烘干備用。
[0016]步驟2，在步驟I洗好的透明導電襯底上旋涂制備一層致密的非晶TiO2薄膜。此薄膜具體制備步驟包括。
[0017]2.1，將鈦酸酯在惰性氣體氛圍中配制成醇溶液，所述的鈦酸酯為鈦酸乙酯，鈦酸異丙酯，或鈦酸四丁酯，溶液濃度體積比在1-60 v/v%。
[0018]2.2，將2.1配制的鈦酸酯醇溶液在惰性氣體氛圍中攪拌一段時間，所述時間為
0.1-200 小時。
[0019]2.3，將2.2攪拌好的鈦酸酯溶液在惰性氣體氛圍中旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷于步驟I制備的襯底上。
[0020]2.4，將2.3旋涂的TiO2前驅體薄膜轉移到空氣中進行后處理，得到所需的致密非晶TiO2薄膜。所述的后處理溫度從室溫到300度，所述的膜厚介于2-200 nm。
[0021]2.5，將2.4制備的致密非晶TiO2薄膜轉移到惰性氣體氛圍中備用。
[0022]步驟3，在致密非晶1102薄膜上采用旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷技術制備一層有機活性層，此活性層是共軛聚合物或小分子與富勒烯衍生物的混合物。
[0023]步驟4，在有機活性層上采用熱蒸鍍、濺射、旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷技術制備陽極修飾層，此修飾層是氧化鑰、氧化鎢、氧化鎳或氧化釩。
[0024]步驟5，采用熱蒸鍍、濺射、旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷技術制備陽極電極層，所述陽極電極材料是銀、金、鋁或銅。
[0025]與現有技術相比，本發明在陰極修飾層，通過配制鈦酸酯醇溶液，采用改進的制備工藝，一步法制備了高性能致密非晶TiO2薄膜，制備的電池器件開路電壓、填充因子等性能參數不變，但工藝更簡單，成本更低，適合有機太陽能電池的大規模制備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發明的實施例，下面對實施例所使用的附圖作簡單清晰地介紹，此處描述中的附圖是針對本發明的實施例。
[0027]圖1是反型有機太陽能電池示意圖；圖中I為ITO玻璃，2為TiO2薄膜，3為有機活性層P3HT:PC61BM的共混物，4為氧化鑰，5為銀電極。[0028]圖2是鈦酸異丙酯的異丙醇溶液在ITO玻璃上旋涂成膜，置空氣中60分鐘后輕巧模式下的原子力表面圖。
[0029]圖3是鈦酸異丙酯的異丙醇溶液在ITO玻璃上旋涂成膜，置空氣中60分鐘后的透過率與ITO玻璃透過率的對比圖，以空氣做背底，致密非晶TiO2薄膜的厚度是30 nm。
[0030]圖4是鈦酸異丙酯的異丙醇溶液在ITO玻璃上旋涂成膜，置空氣中60分鐘后作為陰極修飾層的反型有機太陽能電池器件在光照強度為AM 1.5G (100 mW/cm2)模擬太陽光下的電流密度-電壓曲線。
具體實施例
[0031]本專利一種反型有機太陽能電池的簡易制備方法，結合說明書附圖，以P3HT:PC6tlBM為活性層的反型有機太陽能電池的具體制備步驟如下。
[0032]首先，將圖形化的ITO玻璃1，經丙酮、ITO清洗劑、去離子水、異丙醇超聲清洗后，烘干備用。
[0033]在純氮氣氛圍的手套箱中配制濃度為20 v/v%的鈦酸異丙酯的異丙醇溶液，并在純氮氣氛圍手套箱中攪拌30分鐘。
[0034]隨后在純氮氣氛圍的手套箱中，采用20 v/v%的鈦酸異丙酯的異丙醇溶液在ITO玻璃快速旋涂一層鈦酸異丙酯薄膜。
[0035]將旋涂有鈦酸異丙酯薄膜的ITO玻璃轉移到空氣中放置60分鐘。水解生成一層致密的非晶TiO2薄膜2，如圖2。圖3是其透過率曲線，膜厚大約30 nm。
[0036]然后將覆蓋有致密非晶TiO2薄膜的ITO轉移到氮氣氛圍的手套箱中，在其上旋涂有機活性層3。所述的活性層是P3HT和PC6tlBM的重量比為1:1的氯苯溶液(總濃度為30mg/ml);所述的轉速為每分鐘500轉。
[0037]隨后在150 °C下對活性層退火處理10分鐘。
[0038]將涂有活性層的樣品轉移到蒸鍍設備中，依次蒸鍍5nm三氧化鑰4 (蒸發速率為
0.lnm/s), IOOnm金屬銀電極5 (蒸發速度0.5nm/s)。
[0039]該反型有機太陽能電池在光照強度為AM1.5G (100mff/cm2)模擬太陽光下測試結果如圖4所示，其性能如下:開路電壓為0.62V，短路電流10.7mA/cm2，填充因子63%，能量轉換效率達到4.18%。
【權利要求】
1.一種反型有機太陽能電池自下而上依次為透明導電襯底(I)、陰極修飾層(2)、有機活性層(3)、陽極修飾層(4)和陽極電極(5)，其特征在于，制備包括以下步驟: 1)在純氮氣或純氬氣等惰性氣體氛圍中，將酞酸酯配制成一定濃度的醇溶液； 2)將配制的鈦酸酯醇溶液在惰性氣體氛圍中攪拌一段時間； 3)將攪拌好的鈦酸酯醇溶液在惰性氣體氛圍中旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷于透明導電襯底上； 4)將旋涂有二氧化鈦(TiO2)前驅體薄膜的襯底轉移到空氣中進行后處理，得到所需厚度的致密非晶TiO2薄膜； 5)將制備的致密非晶TiO2薄膜襯底轉移到惰性氣體氛圍中； 6)在致密非晶TiO2薄膜上采用旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷方法制備有機活性層； 7)在有機活性層上采用蒸鍍、旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷制備陽極修飾層； 8)在陽極修飾層上采用蒸鍍、旋涂、噴墨打印或卷對卷印刷制備陽極電極。
2.根據權利要求1所述的反型有機太陽能電池的簡易制備方法，其特征在于所述的陰極為透明ITO玻璃，透明FTO玻璃，或透明聚酯ITO薄膜。
3.根據權利要求1所述的反型有機太陽能電池的簡易制備方法，其特征在于所述的鈦酸酯為鈦酸乙酯，鈦酸異丙酯或鈦酸四丁酯，其醇溶液為乙醇、異丙醇、丁醇，濃度體積比為l-60v/v%o
4.根據權利要求1所述的反型有機太陽能電池的簡易制備方法，其特征在于所述的后處理溫度為室溫至300°C。
5.根據權利要求1所述的反型有機太陽能電池的簡易制備方法，其特征在于所述的致密非晶TiO2薄膜的厚度為2-200nm。
6.根據權利要求1所述的反型有機太陽能電池的簡易制備方法，其特征在于所述的有機活性層是導電共軛聚合物或小分子和富勒烯衍生物的混合物。
7.根據權利要求1所述的反型有機太陽能電池的簡易制備方法，其特征在于所述的陽極修飾層為氧化鑰、氧化鎢、氧化鎳或氧化釩，厚度為2-50nm。
8.根據權利要求1所述的反型有機太陽能電池的簡易制備方法，其特征在于所述的陽極電極為銀、金、招或銅電極，厚度為10-200nm。
【文檔編號】H01L51/48GK103515536SQ201310270925
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月1日 優先權日:2013年7月1日
【發明者】陽仁強, 包西昌, 孫亮 申請人:中國科學院青島生物能源與過程研究所