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CN111697137B - 制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法及有机光伏器件 - Google Patents

制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法及有机光伏器件 Download PDF

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CN111697137B
CN111697137B CN202010580716.9A CN202010580716A CN111697137B CN 111697137 B CN111697137 B CN 111697137B CN 202010580716 A CN202010580716 A CN 202010580716A CN 111697137 B CN111697137 B CN 111697137B
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Abstract

本发明涉及一种制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法及有机光伏器件，包括制备器件，分别制备器件的第一器件底部和第一器件顶部，所述第一器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的空穴传输层、位于所述空穴传输层上的超厚吸收层；所述第一器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的电子传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体；将所述第一器件顶部压合在所述第一器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上，得到有机光伏器件。本发明使器件性能得到优化和提升的同时，适用于工业大规模生产，可降低生产成本。

Description

制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法及有机光伏器件
技术领域
本发明涉及有机光伏器件制备的技术领域，尤其是指一种制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法及有机光伏器件。
背景技术
有机光伏器件具有环保高效、可弯折性以及可大面积制备等优点，因太阳能资源取之不尽，用之不竭，所以有机光伏器件在未来能源战略使用上具有巨大的优势。目前有机光伏器件的效率较之传统的硅太阳能电池还有一些差距，如何提高有机光伏器件的效率等性能十分必要。
目前，通过对器件活性层材料的设计以及器件结构的优化，有机光伏器件的功率转换效率达到了18％。一般地，活性层的厚度越厚，其所能捕获的光子也就越多，光吸收能力也就越强，但同时，由于激子扩散距离的限制，随着活性层厚度的增加，激子的复合概率也会增加，从而导致填充因子、效率等性能的降低。目前高效率的有机光伏器件活性层的厚度一般为100nm，而工业上大面积成膜一般使用刮涂法或者卷对卷制造工艺，其高印刷速率所制备的薄膜厚度一般在500-800nm甚至更厚，但是基于此工艺所制备的有机光伏器件的整体性能会降低。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中有机光伏器件的工业化生产中，整体性能低的问题，从而提供一种整体性能优良的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法及有机光伏器件。
为解决上述技术问题，本发明的一种制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，包括制备器件，分别制备器件的第一器件底部和第一器件顶部，所述第一器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的空穴传输层、位于所述空穴传输层上的超厚吸收层；所述第一器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的电子传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体；将所述第一器件顶部压合在所述第一器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上，得到有机光伏器件
在本发明的一个实施例中，所述超厚吸收层的制备方法为：使用刮涂、旋涂、打印、喷涂工艺制备。
在本发明的一个实施例中，所述第一电极为阳极，所述第二电极为阴极。
在本发明的一个实施例中，所述超厚吸收层、空穴传输层以及第一电极的厚度大于800nm
在本发明的一个实施例中，所述超厚吸收层的厚度大于500nm
在本发明的一个实施例中，所述第一基底采用透明的刚性材料；所述第二基底是透明的柔性材料。
本发明还提供了一种层压法制备超厚吸收层的有机光伏器件，根据上述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法制备而成，包括：第一器件底部和第一器件顶部，所述第一器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的空穴传输层、位于所述空穴传输层上的超厚吸收层；所述第一器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的电子传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体；所述第一器件顶部压合在所述第一器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上。
本发明还提供了一种制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，包括如下步骤：制备器件，分别制备器件的第二器件底部和第二器件顶部，所述第二器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的电子传输层、位于所述电子传输层上的超厚吸收层；所述第二器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的空穴传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体；将所述第二器件顶部压合在所述第二器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上，得到有机光伏器件。
在本发明的一个实施例中，所述第一电极为阴极，所述第二电极为阳极。
本发明还提供了一种层压法制备超厚吸收层的有机光伏器件，根据上述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法制备而成，包括：第二器件底部和第二器件顶部，所述第二器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的电子传输层、位于所述电子传输层上的超厚吸收层；所述第二器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的空穴传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体，所述第二器件顶部压合在所述第二器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法及有机光伏器件，适用于有机光伏器件的刮涂法或卷对卷等生产工艺进行大规模制备。该方法制造成本低，制备过程简单易操作，对于器件顶部与器件底部进行物理接触即可压合，而且改变了传统的自下而上的制备工艺，将器件分为两部分，可以分别进行制备和修饰优化。另外采用柔性基底PDMS，在保护顶部电极的同时也对吸收层进行了修饰，从而可使器件性能得到优化和提升，并且兼容刮涂法或卷对卷技术，可用于工业上大面积薄膜的制备，从而降低了生产成本。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明有机光伏器件的第一个示意图；
图2是本发明有机光伏器件的第二个示意图。
说明书附图标记说明：11-第一基底，12-第一电极，13-空穴传输层，14-超厚吸收层，15-第二基底，151-凸体，16-粘合层，17-第二电极，18-电子传输层。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，包括步骤S1：制备器件，分别制备器件的第一器件底部和第一器件顶部，所述第一器件底部包括：第一基底11、位于所述第一基底11上的第一电极12、位于所述第一电极12上的空穴传输层13、位于所述空穴传输层13上的超厚吸收层14；所述第一器件顶部包括：第二基底15、位于所述第二基底15表面上的粘合层、位于所述粘合层16上的第二电极17、位于所述第二电极17上的电子传输层18，所述第二基底15沿长度方向设有多个凸体151；步骤S2：将所述第一器件顶部压合在所述第一器件底部上，使所述凸体151伸入至所述超厚吸收层14上，得到有机光伏器件。
本实施例所述制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，所述步骤S1中，制备器件，分别制备器件的第一器件底部和第一器件顶部，由所述第一器件底部和第一器件顶部共同构成所述有机光伏器件，具体地，所述第一器件底部包括：第一基底11、位于所述第一基底11上的第一电极12、位于所述第一电极12上的空穴传输层13、位于所述空穴传输层13上的超厚吸收层14，所述空穴传输层13可以保证空穴的有效传输，所述超厚吸收层14用于吸收光；所述第一器件顶部包括：第二基底15、位于所述第二基底15表面上的粘合层16、位于所述粘合层16上的第二电极17、位于所述第二电极17上的电子传输层18，所述粘合层16可以将所述第二电极17固定在所述第二基底15表面上，所述电子传输层18可以保证电子的有效传输，所述第二基底15沿长度方向设有多个凸体151，所述凸体151有利于减少所述超厚吸收层14的厚度；所述步骤S2中，将所述第一器件顶部压合在所述第一器件底部上，使所述凸体151伸入至所述超厚吸收层14上，得到有机光伏器件，由于采用的是物理层压的方法使所述超厚吸收层14形成了高槽深结构，实现对所述超厚吸收层14的修饰，避免了蒸镀电极时对所述超厚吸收层14的破坏，同时有利于保护了电极免受破损和划痕的伤害，不但有利于提升器件性能，而且可以形成更加均匀的电学接触。
所述超厚吸收层14的制备方法为：使用刮涂、旋涂、打印、喷涂工艺制备。
所述第一电极12为阳极，所述第二电极17为阴极。
所述超厚吸收层14、空穴传输层13以及第一电极12的厚度大于800nm，所述空穴传输层13有利于保证空穴的有效传输。
本实施例中，所述第一基底11是透明的刚性材料，如玻璃；所述第二基底15是透明的柔性材料，如PDMS，柔软的基底有利于保护金属电极免受破损和划痕的伤害。
在开始制造前，准备玻璃基底及对应的电极材料，以形成阳极；准备具有凸体结构的柔性基底及对应的电极材料，以形成阴极。
在制造时，可以将器件分为两部分：第一器件底部和第一器件顶部，所述第一器件底部包括第一基底11、位于所述第一基底11上的阳极、以及位于所述阳极表面上的空穴传输层13和超厚吸收层14；所述第一器件顶部包括第二基底15、位于所述第二基底15上的粘合层16、位于所述粘合层16上的阴极和电子传输层18。
本发明采用分别对器件底部和器件顶部进行加工和修饰，从而有利于形成更加均匀的电学接触。具体地，所述第一器件底部在制造时，在阳极所对的第一基底11上形成空穴传输层13；所述第一器件顶部在制造时，在具有凸体151的第二基底15上蒸镀粘合剂和阴极材料，所述粘合剂形成了粘合层，所述阴极上形成电子传输层17；将所述第一器件底部和所述第一器件顶部进行物理压合，得到所述有机光伏器件。
所述电极材料为银纳米线(Ag NWs)、铟锡氧化物(ITO)、铝(Al)、银(Ag)、金(Au)的网格或薄膜。
所述粘合层16、阴极、电子传输层18的厚度为大于200nm。所述第一电极12的厚度为100nm-200nm；所述超厚吸收层14的厚度大于500nm。
所述空穴传输层13的材料包括但不仅限于聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)，三氧化钼等材料。
所述粘合剂包括但不仅限于氧化钼(MoOx)、银导电胶、D-山梨醇或环氧树脂导电胶等材料。
所述超厚吸收层14材料包括但不仅限于PTB7和PC71BM，P3HT和ICBA等材料。
所述电子传输层18包括但不仅限于PDINO、氧化锌(ZnO)等材料。
下面详细说明有机光伏器件的制备：
以ITO以及玻璃片分别作为第一器件底部的阳极和第一基底11，以柔性材料作为第一器件顶部的第二基底15，蒸镀电极材料，形成有机光伏电池的阴极：
以刚性玻璃片作为第一基底11，所述第一基底11表面的ITO作为器件的阳极，将其放入超声机中分别用DECON、无水乙醇和异丙醇超声清洗15min，之后用氮气枪吹干。以柔性塑料(PDMS)为第二基底15，具体地，将主剂与固化剂以10∶1的比例混合搅拌均匀，将其倒入一个具有高槽深结构的模具或者基板上，通过PDMS固化将高槽深结构复制到PDMS基底上，从而获得第二基底15，之后将第一基底上的气泡除尽并放在恒温加热台上70℃加热固化5h，揭下备用。将第二基底15转移至热蒸镀系统，利用真空热蒸发的方法沉积粘合剂18和阴极，将真空舱的真空度控制在5×10-6Torr以下，控制粘合剂氧化钼(MoOx)蒸发速率在
Figure BDA0002553066760000061
厚度在10nm，控制阴极材料银的蒸发速率在
Figure BDA0002553066760000062
厚度在100nm以上。
在阳极上涂覆空穴传输层13材料和超厚吸收层14，形成第一器件底部：
以PEDOT-空穴传输层13的材料：PSS为空穴传输层的材料，在得到干净的ITO玻璃表面旋涂PEDOT：PSS，控制转速为3000rpm，时间为40s，然后进行退火处理，控制退火温度为140℃，时间为15min，得到厚度为80nm-120nm的空穴传输层13；接着，以PTB7：PC71BM为活性层材料，使用匀胶机在上述得到的空穴传输层13上旋涂活性层，控制转速为800rpm，时间为2min，从而得到器件底部。
在阴极表面旋涂电子传输层18，形成第一器件顶部：
在上述得到的具有凸体151的第二基底15和阴极的表面上旋涂电子传输层材料PDINO，控制转速为3000rpm，时间为40s，从而形成第一器件顶部。
将制备的第一器件顶部与第一器件底部进行压合，以得到有机光伏器件：
利用物理接触的方法将第一器件顶部与第一器件底部进行压合，并放在恒温加热台上60℃加热5min，让器件两部分形成更好的接触，从而得到有机光伏器件。
实施例二
如图2所示，本实施例提供一种制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，包括如下步骤：步骤S1：制备器件，分别制备器件的第二器件底部和第二器件顶部，所述第二器件底部包括：第一基底11、位于所述第一基底11上的第一电极12、位于所述第一电极11上的电子传输层18、位于所述电子传输层18上的超厚吸收层14；所述第二器件顶部包括：第二基底15、位于所述第二基底15表面上的粘合层16、位于所述粘合层16上的第二电极17、位于所述第二电极17上的空穴传输层13，所述第二基底15沿长度方向设有多个凸体151；步骤S2：将所述第二器件顶部压合在所述第二器件底部上，使所述凸体151伸入至所述超厚吸收层14上，得到有机光伏器件。
本实施例所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，包括如下步骤：步骤S1：制备器件，分别制备器件的第二器件底部和第二器件顶部，由所述第二器件底部和第二器件顶部共同构成所述有机光伏器件，具体地，所述第二器件底部包括：第一基底11、位于所述第一基底11上的第一电极12、位于所述第一电极12上的电子传输层18、位于所述电子传输层18上的超厚吸收层14；所述第二器件顶部包括：第二基底15、位于所述第二基底15表面上的粘合层16、位于所述粘合层16上的第二电极17、位于所述第二电极17上的空穴传输层13，所述第二基底15沿长度方向设有多个凸体151；步骤S2：将所述第二器件顶部压合在所述第二器件底部上，使所述凸体151伸入至所述超厚吸收层14上，得到有机光伏器件，由于采用的是物理层压的方法使所述超厚吸收层14形成了高槽深结构，实现对所述超厚吸收层14的修饰，避免了蒸镀电极时对所述超厚吸收层14的破坏，同时有利于保护了电极免受破损和划痕的伤害，不但有利于提升器件性能，而且可以形成更加均匀的电学接触。
所述第一电极12为阴极，所述第二电极16为阳极。
下面详细解释上述有机光伏器件的制备方法：
第二器件底部的清洗与第一有机光伏器件相同，需要注意的是此时的第一基底11玻璃上的ITO作为器件的阴极，第二基底15上的银作为器件的阳极。在第二基底15上蒸镀完粘合剂氧化钼和银之后(条件与实施例一相同)，再蒸镀一层空穴传输层氧化钼，蒸发速率依旧控制在
Figure BDA0002553066760000081
厚度控制在8nm，从而形成第二器件顶部；
在阴极上涂覆电子传输层材料和超厚吸收层，形成器件底部：
以ZnO为电子传输层18的材料，其制备方法如下：
将220mg的无水乙酸锌溶解在2mL的2-甲氧基乙醇溶液中，然后加入31μL的乙醇胺溶液，搅拌12h后得到ZnO溶胶-凝胶前驱体溶液；将ZnO溶液旋涂在阴极表面上，控制转速在4000rpm，时间为40s，然后放在恒温加热台上150℃退火15min，得到40-80nm的ZnO薄膜。旋涂活性层部分与实施例1相同，从而得到第二器件底部。
将制备的第二器件顶部与第二器件底部进行压合，具体步骤与实施例一中有机光伏器件压合步骤相同，以得到有机光伏器件。
实施例三
如图1所示，本实施例提供一种层压法制备超厚吸收层的有机光伏器件，根据实施例一所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法制备而成，包括：第一器件底部和第一器件顶部，所述第一器件底部包括：第一基底11、位于所述第一基底11上的第一电极12、位于所述第一电极12上的空穴传输层13、位于所述空穴传输层13上的超厚吸收层14；所述第一器件顶部包括：第二基底15、位于所述第二基底15表面上的粘合层16、位于所述粘合层16上的第二电极17、位于所述第二电极17上的电子传输层18，所述第二基底15沿长度方向设有多个凸体151；所述第一器件顶部压合在所述第一器件底部上，使所述凸体151伸入至所述超厚吸收层14上。
本实施例所述的层压法制备超厚吸收层的有机光伏器件，根据实施例一所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法制备而成，因此实施例一具有的优点，本实施例也全部具有，因此不再重复说明。
实施例四
如图2所示，本实施例提供一种层压法制备超厚吸收层的有机光伏器件，根据实施例二所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法制备而成，包括：第二器件底部和第二器件顶部，所述第二器件底部包括：第一基底11、位于所述第一基底11上的第一电极12、位于所述第一电极12上的电子传输层18、位于所述电子传输层18上的超厚吸收层14；所述第二器件顶部包括：第二基底15、位于所述第二基底15表面上的粘合层16、位于所述粘合层16上的第二电极17、位于所述第二电极17上的空穴传输层18，所述第二基底15沿长度方向设有多个凸体151，所述第二器件顶部压合在所述第二器件底部上，使所述凸体151伸入至所述超厚吸收层14上。
本实施例所述的层压法制备超厚吸收层的有机光伏器件，根据实施例二所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法制备而成，因此实施例二具有的优点，本实施例也全部具有，因此不再重复说明。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：制备器件，分别制备器件的第一器件底部和第一器件顶部，所述第一器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的空穴传输层、位于所述空穴传输层上的超厚吸收层；所述第一器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的电子传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体；
步骤S2：将所述第一器件顶部压合在所述第一器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上，得到有机光伏器件，其中所述超厚吸收层的厚度大于500nm，所述超厚吸收层的制备方法为：使用刮涂、旋涂、打印、喷涂工艺制备，所述第一基底采用透明的刚性材料；所述第二基底是PDMS。
2.根据权利要求1所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，其特征在于：所述第一电极为阳极，所述第二电极为阴极。
3.根据权利要求1所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，其特征在于：所述超厚吸收层的厚度大于500nm, 所述空穴传输层厚度为80nm-120nm,所述第一电极的厚度为100nm-200nm。
4.一种层压法制备超厚吸收层的有机光伏器件，根据权利要求1-3中任意一项所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法制备而成，其特征在于，包括：第一器件底部和第一器件顶部，所述第一器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的空穴传输层、位于所述空穴传输层上的超厚吸收层；所述第一器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的电子传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体；所述第一器件顶部压合在所述第一器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上，其中所述超厚吸收层的厚度大于500nm。
5.一种制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：制备器件，分别制备器件的第二器件底部和第二器件顶部，所述第二器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的电子传输层、位于所述电子传输层上的超厚吸收层；所述第二器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的空穴传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体；
步骤S2：将所述第二器件顶部压合在所述第二器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上，得到有机光伏器件，其中所述超厚吸收层的厚度大于500nm，所述超厚吸收层的制备方法为：使用刮涂、旋涂、打印、喷涂工艺制备，所述第一基底采用透明的刚性材料；所述第二基底是PDMS。
6.根据权利要求5所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法，其特征在于：所述第一电极为阴极，所述第二电极为阳极。
7.一种层压法制备超厚吸收层的有机光伏器件，根据权利要求5或6所述的制备超厚吸收层的有机光伏器件的方法制备而成，其特征在于，包括：第二器件底部和第二器件顶部，所述第二器件底部包括：第一基底、位于所述第一基底上的第一电极、位于所述第一电极上的电子传输层、位于所述电子传输层上的超厚吸收层；所述第二器件顶部包括：第二基底、位于所述第二基底表面上的粘合层、位于所述粘合层上的第二电极、位于所述第二电极上的空穴传输层，所述第二基底沿长度方向设有多个凸体，所述第二器件顶部压合在所述第二器件底部上，使所述凸体伸入至所述超厚吸收层上，其中所述超厚吸收层的厚度大于500nm。
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