[发明专利]一种耐弯折柔性光电器件的制备方法

说明书

一种耐弯折柔性光电器件的制备方法，在醇相体系中，采用锌盐作为反应源，金属盐作为掺杂源，在低温条件下制备得到高导电性的金属掺杂氧化锌前驱体溶液，最后通过加入具有功能基团的聚合物或小分子有机物溶液提高所制备金属掺杂氧化锌膜的耐弯折性，其导电性为1.68×10^‑3 S/m，透光性大于90%，以其作为阴极界面层应用于光电器件，弯折100次之后效率还能保持80%以上。本发明的金属掺杂氧化锌溶液的制备温度不超过80ºC，制备过程简单，节能环保，产品稳定性好。本发明所得的纳米材料具有耐弯折性和良好的自身粘附力及高导电性，因此在大面积柔性太阳能电池等光电器件领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于无机非金属材料制备技术领域，涉及太阳能电池材料。

背景技术

有机太阳能电池以其质轻、可溶液加工、可弯曲、容易进行大面积卷对卷生产等优点受到越来越多的科研工作者的青睐。目前，单节有机太阳能电池的光电转化效率已经超过了13%，已经满足商业化生产的需要。提高有机太阳能电池的转化效率和稳定性的方法包括设计新型的给受体材料、优化器件制备工艺和调控界面。界面层具有调节能级，提高电荷的传输和收集，提高活性层对光的吸收和提高器件稳定性的功能。其中，氧化锌（ZnO）是应用最广泛的阴极界面层材料之一，它具有合适的能级、高的电子迁移率和透明性、良好的稳定性和低成本等优点。然而，ZnO表面存在的缺陷成为电子捕获中心，极大地抑制了光生载流子的收集，影响了它在光电器件方面的进一步应用。同时，ZnO因其导电性相对较低，使其应用于较厚的阴极界面层受了限制，而且太薄的界面层会降低器件的机械强度。另外，厚度敏感性对于大面积印刷制备阴极界面层非常不利，因此，需要采用有效的手段来大幅度提高ZnO的导电性和作为阴极界面层的厚度不敏感性。目前主要研究是通过采用金属元素掺杂及改变合成方法来提高ZnO的电导率和厚度不敏感性来提高电池器件的效率。采用主族元素对ZnO进行掺杂已见大量文献报道，这些元素掺杂是作为N-型掺杂来替代Zn的位置和收集自由电子。Jagadamma等（Adv. Energy Mater., 2015, 1500204）采用氨水处理AZO纳米晶，于125 ℃溶液加工制备铝掺杂的氧化锌（AZO）阴极界面层，基于PTB7:PC₇₁BM活性层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。当AZO的厚度从22 nm增加至75 nm时，器件效率仅从8.8%降至8.1%。Gaceur等（Adv. Funct. Mater., 2015,201502929）使用溶剂热法制备了AZO纳米粒子，当AZO的厚度达到80 nm，活性层厚度达到200 nm时，基于PTB7:PC₇₁BM体系的器件效率达到7.59%。

更为重要的是，作为一种无机材料，ZnO自身的脆性是不可避免的，而且，由于自身较差的粘附性导致其作为阴极界面层时容易与上层活性层脱离，这些都是限制大面积卷对卷印刷生产和柔性可穿戴器件应用方面不可忽视的因素。据我们所知，聚多巴胺（PDA）可以通过其表面功能性基团与纳米粒子表面的极性基团之间形成氢键，从而提高无机材料自身的耐弯折性和粘附性。Xiao等（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 1447-1453）通过在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上无电镀法制备银纳米网格透明电极，其中PDA作为表面修饰剂覆盖于PET上，极大地提高了银纳米网格与基底的粘附性。因此，通过将无机纳米晶ZnO与聚合物PDA进行复合，利用PDA良好的柔韧性和独特的粘附性来改善无机材料的脆性，赋予其优异的耐弯折性和黏附性，对于实现制备柔性可拉伸器件和卷对卷大面积印刷的研究有着重要的推动作用。

因此，需要通过溶液法制备优异的耐弯折性和粘附性以及高导电性和透光性的金属掺杂氧化锌导电墨水并将其应用于柔性太阳能器件。该方法主要是先通过溶液法在80℃下合成高导电性的金属掺杂氧化锌前驱体溶液，然后加入具有功能基团的聚合物或小分子有机物溶液来提高金属掺杂氧化锌的耐弯折性和自身粘附力。通过实验证明，由于金属掺杂氧化锌与含功能基团的聚合物之间存在氢键作用，使得金属掺杂氧化锌薄膜的耐弯折性、粘附力及导电性均得到有效地提高，并可实现溶液印刷加工应用于太阳能电池的阴极界面层。方法简便、易行、可控。