[发明专利]一种无需真空过程制备有机聚合物太阳能电池的方法

摘要

本发明提供了一种无需真空过程制备有机聚合物太阳能电池的方法。以氧化锌(ZnO)或氧化钛(TiO₂)等修饰的氧化铟氧化锡(ITO)或掺杂氟的二氧化锡(FTO)基底作为电池阴极，以高导电率的聚合物电极作为电池阳极的太阳能电池结构，在活性层和聚合物电极之间引入了一层油水两亲性的自组装分子修饰疏水性的聚合物活性层，使活性层表面由疏水变得亲水，从而使具有高导电率的水溶性聚合物电极材料的溶液可以在活性层上形成具有良好的成膜性的电极薄膜，整个太阳能电池制备过程全部通过溶液湿法制备完成，避免了采用金属电极真空蒸镀过程所带来的成本高、设备依赖性强、工艺复杂、能耗高、难以大面积制备的缺点，有效的简化了器件制备工艺。

主权项

1、一种无需真空过程制备有机聚合物太阳能电池的方法，其步骤如下：A：溶液的配制室温条件下，将作为给体材料的共轭聚合物以及受体材料以1∶0.5～1∶5的质量比混合后，共同溶于其良溶剂中，配制成10～60毫克/毫升的溶液，在200～2000转/分钟的搅拌速度下搅拌1～10小时，以保证共轭聚合物充分溶解；将两亲性自组装分子PAH-D:PSS配制成浓度为0.1～10毫克/毫升的水溶液，加入NaOH或KOH调节溶液的pH值为8～12；将二甲基亚砜加入到PEDOT:PSS(PH500)中，配置成DMSO体积分数为1～10％的混合溶液；B：ZnO或TiO2修饰的ITO或FTO基底的制备ITO或FTO基底的清洗：其中ITO或FTO基底为沉积了ITO或FTO的玻璃或透明柔性聚合物，将ITO或FTO基底依次在丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗5～30分钟，用氮气将ITO或FTO基底表面吹干，然后在80～120摄氏度下加热干燥5～60分钟，待用；ZnO修饰的ITO或FTO基底的制备：(1)溶胶-凝胶法：将可溶性锌盐溶解于甲醇中，锌盐的浓度范围为0.05～5毫摩/毫升；于50～70摄氏度回流搅拌5～60分钟，再向其中缓慢滴加KOH或NaOH的甲醇溶液，加入的氢氧根离子(-OH)与锌离子(Zn2+)的质量比为1∶1～4，反应1.5～3小时，然后降温至室温，停止搅拌；静置0.5～3小时，倒掉上层清液，得到白色乳液；白色乳液用甲醇溶液洗涤后静置30分钟～2天，再次倒掉上层清液；重复上述过程1～10次，倒掉上层清液即可得到白色氧化锌纳米粒子；将氧化锌纳米粒子分散在氯仿、氯苯、二氯苯、二氯甲烷或丙酮等溶剂中，浓度为10～100毫克/毫升，在洁净的ITO或FTO基底表面以500～4000转/分钟的转速进行旋涂，得到30～50纳米厚的ZnO层，将其放于100～150摄氏度的热台上干燥5～10分钟，从而形成ZnO纳米晶薄膜；(2)化学反应方法：将可溶性锌盐溶解在水、甲醇、乙醇或2-甲氧基乙醇溶剂中，或以上溶剂以任意比例混合的混合溶剂中，锌盐的质量浓度为0.01～5毫克/毫升，再向以上溶液中加入相对锌盐溶液体积0％～10％的乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺，室温下搅拌使溶液混合均匀，然后将得到的锌盐溶液旋涂于ITO或FTO基底表面，30～50纳米厚的ZnO层，再在空气中加热至200～400摄氏度，使锌盐转化为ZnO纳米晶薄膜；TiO2修饰的ITO或FTO基底的制备：TiO2薄膜采用溶胶-凝胶法制备：将前驱体四氯化钛(TiCl4)溶于水或乙醇中形成均匀的溶液，其中TiCl4与溶剂的体积比为1∶10～1∶50，溶质和溶剂发生水解或醇解反应，反应生成物聚集成lnm左右长度的粒子并相连接组成溶胶，将清洗好的ITO或FTO基底浸渍在溶胶中，然后以1毫米/秒～10毫米/秒速度将ITO或FTO基底匀速拉出，由于表面吸附及化学结合力，溶胶将在基底上形成一层均匀的薄膜；经过重复操作，可得到适当厚度的薄膜，溶胶经蒸发干燥转变为凝胶，在100～500摄氏度温度下，在空气中加热处理，得到TiO2薄膜修饰的ITO或FTO基底；C：活性层的制备：将给体材料和受体材料的混合溶液以500～3500转/分钟的转速旋涂于ZnO或TiO2修饰的ITO或FTO基底上，待溶剂完全挥发后，形成厚度为50～300纳米的活性层，将涂有活性层的基底转移到充有CB或OCB溶剂气氛的带盖容器中，在20～60摄氏度条件下进行溶剂气氛下的溶剂化处理10～40分钟，或者将涂有活性层的基底转移至手套箱中，在80～200摄氏度的温度下退火处理0.5～30分钟；D：活性层的表面修饰：将两亲性自组装分子PAH-D:PSS的溶液滴涂于活性层上，停留5～60秒钟，再以800～5000转/分钟的转速进行旋涂，用去离子水冲洗活性层表面以去除未进行组装的分子，并再次以800～5000转/分钟的转速进行旋涂，将表面水溶液旋干或者用氮气吹干，此时修饰层的厚度为100纳米～10微米，加热除尽未挥发水分，膜厚约为2～20纳米；E：聚合物阳极的制备：将PEDOT:PSS(P VP AI 4083)滴于自组装分子层上，以1500～4000转/分钟的转速旋涂成膜，膜的厚度为30～100纳米；并继续以1000～4000转/分钟转速旋干，或者加热烘干、晾干或吹干；将加入DMSO的PH500溶液滴至PEDOT:PSS表面，以800～2000转/分钟旋涂5～20秒，并继续以1000～4000转/分钟转速旋干，或者在真空干燥箱中以30～120摄氏度加热烘干、或者在空气中晾干，膜的厚度为50～800纳米；经过上述过程，即可得到全溶液状态下无需真空过程制备的有机聚合物太阳能电池。