專利名稱：一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 屬于太陽能電池領(lǐng)域，具體涉及一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法。
背景技術(shù)：
有機(jī)太陽能電池通過有機(jī)半導(dǎo)體的光活性層吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電能。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、可溶液方式低成本大面積印刷及兼容柔性輕型的塑料基底等特點(diǎn)，成為移動便攜能源和新型清潔能源的理想解決方案。有機(jī)太陽能電池光活性層是決定太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。目前較為廣泛使用的有機(jī)太陽能電池光活性層材料電子給體材料主要為聚3-己基噻吩(以下簡稱P3HT)，電子受體材料主要為2ALPHA-苯基-1，2(2ALPHA)_高[5，6]富勒烯-C60-LH-2ALPHA-丁酸甲酯(以下簡稱PC61BM)。主要采用的光活性層沉積方法包括旋涂、刮涂、流延涂覆、噴霧涂覆和噴墨打印等方法，其中流延涂覆、噴霧涂覆和噴墨打印可適用于連續(xù)大面積的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中。相對流延涂覆和噴霧涂覆，噴墨打印的光活性層厚度控制精確，具有微米級分辨率的二維圖案化功能，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字圖形輸出，加工過程靈活且可數(shù)字化高精度控制。結(jié)合打印墨水和打印過程控制，可以實(shí)現(xiàn)更寬的光活性層微結(jié)構(gòu)調(diào)控。鑒于光活性層厚度和微結(jié)構(gòu)對有機(jī)太陽能電池性能的決定性影響，以及噴墨打印技術(shù)加工光活性層的有效性和靈活性，使噴墨打印光活性層成為實(shí)現(xiàn)高性能有機(jī)太陽能電池加工的有效手段。美國Konarka 公司(Advanced Materials 2007 年第 19 卷 3973 到 3978 頁，NanoLetters 2008 年第 8 卷 2806-2813 頁，Journal of Materials Chemistry 2009 年第 19 卷5398至5404頁)采用純四氫萘以及二氯苯和三甲苯1/1混合的溶劑配置溶液，通過噴墨打印實(shí)現(xiàn)了有機(jī)太陽能電池光活性層的沉積。但該溶液加工薄膜的表面高度起伏過大，已經(jīng)接近200納米，嚴(yán)重影響有機(jī)太陽能電池性能。同時以上溶劑沸點(diǎn)過高，揮發(fā)困難，使薄膜干燥時間延長而不利于高速印刷的工業(yè)生產(chǎn)，并導(dǎo)致薄膜微結(jié)構(gòu)可控性差、干燥過程能耗升聞等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的制備方法得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜表面高度起伏過大和溶液干燥速率過慢的問題，而提供一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案本發(fā)明提供一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，包括如下步驟步驟一將基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑混合，形成混合溶劑，稱取電子給體材料P3HT和電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中溶解，形成混合溶液；所述的基礎(chǔ)溶劑為氯苯，添加溶劑為鄰二氯苯、四氫萘、三甲苯或氯萘，混合溶劑中基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑的體積百分比為(80% 98%) (2% 20%)；步驟二 將步驟一得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有空穴注入層和透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為10 50微米，基底表面溫度為20 35°C，溶液干燥后即得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。優(yōu)選的是，所述的步驟一中電子給體材料與電子受體材料的質(zhì)量比為0.8
1.5:1.0ο優(yōu)選的是，所述的步驟一中電子給體材料與電子受體材料的質(zhì)量比為1:1。優(yōu)選的是，所述的步驟一混合溶液中電子給體材料和電子受體材料的總質(zhì)量體積
濃度為5暈克/暈升 20暈克/暈升。 優(yōu)選的是，所述的步驟一混合溶液是在40_70°C攪拌下溶解后得到。優(yōu)選的是，所述的步驟二中空穴注入層為聚乙撐二氧噻吩，透明導(dǎo)電層為銦錫氧化物。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，該方法先將基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑混合，形成混合溶劑，稱取電子給體材料P3HT和電子受體材料PC61BM,加入混合溶劑中溶解，形成混合溶液；所述的基礎(chǔ)溶劑為氯苯，添加溶劑為鄰二氯苯、四氫萘、三甲苯或氯萘，混合溶劑中基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑的體積百分比為(80% 98%)(2% 20%);然后將得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有空穴注入層和透明導(dǎo)電層的基底表面，溶液干燥后即得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。本發(fā)明采用了氯苯為基礎(chǔ)溶劑，該溶劑對P3HT和PC61BM均有良好溶解性，可以保證打印溶液的溶解性和穩(wěn)定性，其沸點(diǎn)和揮發(fā)性能夠兼顧墨水穩(wěn)定噴墨打印和溶液快速干燥的要求，在穩(wěn)定打印的基礎(chǔ)上利于快速干燥而提高生產(chǎn)效率，且氯苯的低粘度有利于打印液膜的流平性，促進(jìn)形成表面光滑的薄膜；在基礎(chǔ)溶劑中添加低于20%質(zhì)量百分比的高沸點(diǎn)高粘度的PC61BM的良溶劑作為添加溶劑，這將有利于在薄膜干燥過程后期，溶液形成凝膠狀態(tài)，其中以低揮發(fā)性的添加溶劑為主，添加溶劑慢揮發(fā)可促進(jìn)PC61BM相在光活性層薄膜表層的分布，并使P3HT分子鏈段進(jìn)一步運(yùn)動形成微區(qū)結(jié)晶，提高分子尺度的有序性而提高光活性層載流子傳輸能力，提高由其加工的有機(jī)太陽能電池性能。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法形成的光活性層薄膜表面粗糙度低，最大表面高度起伏在59. 9納米 143. 8納米之間，且相分離尺寸小，P3HT相中可形成微晶結(jié)構(gòu)利于載流子傳輸和電荷收集，并具有加工過程薄膜更易干燥的優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明噴墨打印裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為實(shí)施例I得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡表面形貌片；圖3為實(shí)施例I得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡相片；圖4為實(shí)施例2得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡表面形貌片；圖5為實(shí)施例3得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡表面形貌片；圖6為實(shí)施例6得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡表面形貌片。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步了解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)并不是對本發(fā)明專利要求的限制。本發(fā)明提供一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，包括如下步驟步驟一將基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑混合，形成混合溶劑，稱取電子給體材料P3HT(聚3-己基噻吩)和電子受體材料PC61BM (2ALPHA-苯基-1，2(2ALPHA)_高[5,6]富勒 烯-C60-LH-2ALPHA-丁酸甲酯)，加入混合溶劑中溶解，形成混合溶液；所述的基礎(chǔ)溶劑為氯苯，添加溶劑為鄰二氯苯、四氫萘、三甲苯或氯萘，混合溶劑中基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑的體積百分比為(80% 98%) (2% 20%)；步驟二 將步驟一得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有空穴注入層和透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為10 50微米，基底表面溫度為20 35°C，溶液干燥后即得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。按照本發(fā)明，所述的基礎(chǔ)溶劑為氯苯，該溶劑對P3HT和PC61BM均有良好溶解性，可以保證打印溶液的溶解性和穩(wěn)定性，其沸點(diǎn)和揮發(fā)性能夠兼顧墨水穩(wěn)定噴墨打印和溶液快速干燥的要求，在穩(wěn)定打印的基礎(chǔ)上利于快速干燥而提高生產(chǎn)效率，且氯苯的低粘度有利于打印液膜的流平性，促進(jìn)形成表面光滑的薄膜；在基礎(chǔ)溶劑中添加低于20%質(zhì)量百分比的高沸點(diǎn)高粘度的PC6IBM的良溶劑作為添加溶劑，所述的添加溶劑為鄰二氯苯、四氫萘、三甲苯或氯萘，沸點(diǎn)在160-220°C之間。在薄膜干燥過程后期，溶液形成凝膠狀態(tài)，其中以低揮發(fā)性的添加溶劑為主，其慢揮發(fā)可促進(jìn)PC61BM相在光活性層薄膜表層的分布，并使P3HT分子鏈段進(jìn)一步運(yùn)動形成微區(qū)結(jié)晶，提高分子尺度的有序性而提高光活性層載流子傳輸能力，提高由其加工的有機(jī)太陽能電池性能。按照本發(fā)明，所述的電子給體材料為P3HT，電子受體材料為PC61BM，本發(fā)明所述P3HT購自Sigma-Aldrich公司(P3HT的數(shù)均分子量為87000，規(guī)整度為98. 5%)或NichemFine Technology公司(P3HT的數(shù)均分子量為68000或30000-40000，規(guī)整度為99%)。電子給體材料與電子受體材料的質(zhì)量比優(yōu)選為0.8 1.5:1.0，更優(yōu)選為I :1.將電子給體材料P3HT和電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中，優(yōu)選在40_70°C攪拌條件下溶解，形成混合溶液；所述的混合溶液中電子給體材料和電子受體材料的總質(zhì)量體積濃度優(yōu)選為5暈克/暈升 20暈克/暈升。將上述得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有空穴注入層和透明導(dǎo)電層的基底表面，溶液干燥后即得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。所述的打印液層的厚度為10-50微米。所述的基底表面溫度為20-35°C。所述的空穴注入層優(yōu)選為聚乙撐二氧噻吩(簡稱PED0T)，透明導(dǎo)電層優(yōu)選為銦錫氧化物(以下簡稱ΙΤ0)。本發(fā)明所述的噴墨打印裝置為本領(lǐng)域常用的裝置，沒有特殊限制，圖I為為本發(fā)明噴墨打印裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，工作中計算機(jī)控制信號發(fā)生器給噴頭提供脈沖信號，使儲墨瓶供給噴頭的墨水噴出形成液滴，計算機(jī)同時控制基底位移控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基底的移動，通過噴頭噴射和基底位移的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)不同密度的液滴在基底表面的打印而控制形成液膜的厚度。實(shí)施例I( I)溶液配置量取基礎(chǔ)溶劑氯苯9. O毫升和添加溶劑氯萘I. O毫升，將其混合形成混合溶劑，然后稱取50毫克電子給體材料P3HT和50毫克電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中在40°C下溶解，形成混合溶液；(2)光活性層噴墨打印制備將步驟(I)得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有PEDOT空穴注入層和·ITO透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為20微米，基底溫度為20°C，溶液干燥后得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。圖2為實(shí)施例I得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡表面形貌片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜的表面粗糙度為11. 8納米，最大表面高度起伏為61. I納米。圖3為實(shí)施例I得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡相片，由圖3可以看出，本發(fā)明制備的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜存在明顯的P3HT纖維狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2( I)溶液配置量取基礎(chǔ)溶劑氯苯9. O毫升和添加溶劑三甲苯I. O毫升，將其混合形成混合溶劑，然后稱取50毫克電子給體材料P3HT和50毫克電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中在70°C下溶解，形成混合溶液；(2)光活性層噴墨打印制備將步驟(I)得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有PEDOT空穴注入層和ITO透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為40微米，基底溫度為20°C，溶液干燥后得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。圖4為實(shí)施例2得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡表面形貌片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜的表面粗糙度為11. 7納米，最大表面高度起伏為59. 9納米。實(shí)施例3(I)溶液配置量取基礎(chǔ)溶劑氯苯9. 5毫升和添加溶劑四氫萘O. 5毫升，將其混合形成混合溶劑，然后稱取75毫克電子給體材料P3HT和50毫克電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中在50°C下溶解，形成混合溶液；(2)光活性層噴墨打印制備將步驟(I)得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有PEDOT空穴注入層和ITO透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為30微米，基底溫度為25°C，溶液干燥后得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。圖5為實(shí)施例3得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡表面形貌片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜的表面粗糙度為16.6納米，最大表面高度起伏為105. 3納米。
實(shí)施例4(I)溶液配置量取基礎(chǔ)溶劑氯苯8. O毫升和添加溶劑鄰二氯苯2. O毫升，將其混合形成混合溶齊 ，然后稱取100毫克電子給體材料Ρ3ΗΤ和100毫克電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中在50°C下溶解，形成混合溶液；(2)光活性層噴墨打印制備將步驟(I)得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有PEDOT空穴注入層和ITO透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為10微米，基底溫度為30°C，溶液干燥后得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜的表面粗糙度為14. I納米，最大表面高度起伏為89. 8納米。實(shí)施例5 ( I)溶液配置量取基礎(chǔ)溶劑氯苯9. O毫升和添加溶劑四氫萘I. O毫升，將其混合形成混合溶劑，然后稱取40毫克電子給體材料P3HT和50毫克電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中在40°C下溶解，形成混合溶液；(2)光活性層噴墨打印制備將步驟(I)得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有PEDOT空穴注入層和ITO透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為25微米，基底溫度為35°C，溶液干燥后得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜的表面粗糙度為15. 4納米，最大表面高度起伏為96. 3納米。實(shí)施例6( I)溶液配置量取基礎(chǔ)溶劑氯苯9. 8毫升和添加溶劑四氫萘O. 2毫升，將其混合形成混合溶劑，然后稱取25毫克電子給體材料P3HT和25毫克電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中在40°C下溶解，形成混合溶液；(2)光活性層噴墨打印制備將步驟(I)得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有PEDOT空穴注入層和ITO透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為50微米，基底溫度為25°C，溶液干燥后得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。圖6為實(shí)施例6得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的原子力顯微鏡表面形貌片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜的表面粗糙度為22. 7納米，最大表面高度起伏為143. 8納米。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一將基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑混合，形成混合溶劑，稱取電子給體材料P3HT和電子受體材料PC61BM，加入混合溶劑中溶解，形成混合溶液；所述的基礎(chǔ)溶劑為氯苯，添加溶劑為鄰二氯苯、四氫萘、三甲苯或氯萘，混合溶劑中基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑的體積百分比為(80% 98%) (2% 20%)； 步驟二 將步驟一得到的混合溶液通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有空穴注入層和透明導(dǎo)電層的基底表面，打印液層的厚度為10 50微米，基底表面溫度為20 35°C，溶液干燥后即得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，其特征在于，所述的步驟一中電子給體材料與電子受體材料的質(zhì)量比為O. 8 I. 5:1. O。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，其特征在于，所述的步驟一中電子給體材料與電子受體材料的質(zhì)量比為I :1。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，所述的步驟一混合溶液中電子給體材料和電子受體材料的總質(zhì)量體積濃度為5毫克/毫升 20暈克/暈升。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，所述的步驟一混合溶液是在40-70°C攪拌下溶解后得到。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，所述的步驟二中空穴注入層為聚乙撐二氧噻吩，透明導(dǎo)電層為銦錫氧化物。
全文摘要
一種有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜的噴墨打印制備方法，解決現(xiàn)有的制備方法得到的有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜表面高度起伏過大和溶液干燥速率過慢的問題。該方法采用基礎(chǔ)溶劑和添加溶劑形成混合溶劑，然后將電子給體材料P3HT和電子受體材料PC61BM加入混合溶劑形成混合溶液，通過噴墨打印裝置沉積到設(shè)置有空穴注入層和透明導(dǎo)電層的基底表面，溶液干燥后即得到有機(jī)太陽能電池光活性層薄膜，所述的基礎(chǔ)溶劑為氯苯，添加溶劑為鄰二氯苯、四氫萘、三甲苯或氯萘。本發(fā)明的方法形成的光活性層薄膜表面粗糙度低，最大表面高度起伏小，且相分離尺寸小，P3HT相中可形成微晶結(jié)構(gòu)，加工過程薄膜更易干燥。
文檔編號B41M5/00GK102903853SQ201210410
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者韓艷春, 丁艷, 邢汝博, 劉劍剛, 孫岳 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所