[發明專利]一種耐彎折柔性光電器件的制備方法

有效

• 申請號: 201810222512.0
• 申請日: 2018-03-19
• 公開（公告）號: CN108550698B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 談利承;陳義旺;王藝林;胡婷;肖書琴
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 36115 南昌新天下專利商標代理有限公司
• 代理人: 施秀瑾<國際申請>=<國際公布>=<進入

一種耐彎折柔性光電器件的制備方法，在醇相體系中，采用鋅鹽作為反應源，金屬鹽作為摻雜源，在低溫條件下制備得到高導電性的金屬摻雜氧化鋅前驅體溶液，最后通過加入具有功能基團的聚合物或小分子有機物溶液提高所制備金屬摻雜氧化鋅膜的耐彎折性，其導電性為1.68×10^?3 S/m，透光性大于90%，以其作為陰極界面層應用于光電器件，彎折100次之后效率還能保持80%以上。本發明的金屬摻雜氧化鋅溶液的制備溫度不超過80oC，制備過程簡單，節能環保，產品穩定性好。本發明所得的納米材料具有耐彎折性和良好的自身粘附力及高導電性，因此在大面積柔性太陽能電池等光電器件領域具有很好的應用前景。

技術領域

本發明屬于無機非金屬材料制備技術領域，涉及太陽能電池材料。

背景技術

有機太陽能電池以其質輕、可溶液加工、可彎曲、容易進行大面積卷對卷生產等優點受到越來越多的科研工作者的青睞。目前，單節有機太陽能電池的光電轉化效率已經超過了13%，已經滿足商業化生產的需要。提高有機太陽能電池的轉化效率和穩定性的方法包括設計新型的給受體材料、優化器件制備工藝和調控界面。界面層具有調節能級，提高電荷的傳輸和收集，提高活性層對光的吸收和提高器件穩定性的功能。其中，氧化鋅（ZnO）是應用最廣泛的陰極界面層材料之一，它具有合適的能級、高的電子遷移率和透明性、良好的穩定性和低成本等優點。然而，ZnO表面存在的缺陷成為電子捕獲中心，極大地抑制了光生載流子的收集，影響了它在光電器件方面的進一步應用。同時，ZnO因其導電性相對較低，使其應用于較厚的陰極界面層受了限制，而且太薄的界面層會降低器件的機械強度。另外，厚度敏感性對于大面積印刷制備陰極界面層非常不利，因此，需要采用有效的手段來大幅度提高ZnO的導電性和作為陰極界面層的厚度不敏感性。目前主要研究是通過采用金屬元素摻雜及改變合成方法來提高ZnO的電導率和厚度不敏感性來提高電池器件的效率。采用主族元素對ZnO進行摻雜已見大量文獻報道，這些元素摻雜是作為N-型摻雜來替代Zn的位置和收集自由電子。Jagadamma等（Adv. Energy Mater., 2015, 1500204）采用氨水處理AZO納米晶，于125 ℃溶液加工制備鋁摻雜的氧化鋅（AZO）陰極界面層，基于PTB7:PC₇₁BM活性層的器件在玻璃基底上得到10%的效率，在柔性基底上得到8%的效率。當AZO的厚度從22 nm增加至75 nm時，器件效率僅從8.8%降至8.1%。Gaceur等（Adv. Funct. Mater., 2015,201502929）使用溶劑熱法制備了AZO納米粒子，當AZO的厚度達到80 nm，活性層厚度達到200 nm時，基于PTB7:PC₇₁BM體系的器件效率達到7.59%。

更為重要的是，作為一種無機材料，ZnO自身的脆性是不可避免的，而且，由于自身較差的粘附性導致其作為陰極界面層時容易與上層活性層脫離，這些都是限制大面積卷對卷印刷生產和柔性可穿戴器件應用方面不可忽視的因素。據我們所知，聚多巴胺（PDA）可以通過其表面功能性基團與納米粒子表面的極性基團之間形成氫鍵，從而提高無機材料自身的耐彎折性和粘附性。Xiao等（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 1447-1453）通過在柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上無電鍍法制備銀納米網格透明電極，其中PDA作為表面修飾劑覆蓋于PET上，極大地提高了銀納米網格與基底的粘附性。因此，通過將無機納米晶ZnO與聚合物PDA進行復合，利用PDA良好的柔韌性和獨特的粘附性來改善無機材料的脆性，賦予其優異的耐彎折性和黏附性，對于實現制備柔性可拉伸器件和卷對卷大面積印刷的研究有著重要的推動作用。

因此，需要通過溶液法制備優異的耐彎折性和粘附性以及高導電性和透光性的金屬摻雜氧化鋅導電墨水并將其應用于柔性太陽能器件。該方法主要是先通過溶液法在80℃下合成高導電性的金屬摻雜氧化鋅前驅體溶液，然后加入具有功能基團的聚合物或小分子有機物溶液來提高金屬摻雜氧化鋅的耐彎折性和自身粘附力。通過實驗證明，由于金屬摻雜氧化鋅與含功能基團的聚合物之間存在氫鍵作用，使得金屬摻雜氧化鋅薄膜的耐彎折性、粘附力及導電性均得到有效地提高，并可實現溶液印刷加工應用于太陽能電池的陰極界面層。方法簡便、易行、可控。