本發(fā)明涉及一種用碳點(diǎn)做陰極緩沖層的太陽(yáng)能電池板的制備方法，屬光電子材料制備及應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

聚合物太陽(yáng)能電池具有重量輕、柔韌性好的特點(diǎn)，可用濕法成膜，制作成特種形狀，例如旋轉(zhuǎn)涂膜、絲網(wǎng)印刷、噴墨打印，可做成大面積產(chǎn)品。

目前，聚合物太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率較低，只有11％，且穩(wěn)定性較差，成為商業(yè)應(yīng)用的致命性問(wèn)題。

為了提高太陽(yáng)能電池的光轉(zhuǎn)換效率，常在太陽(yáng)能電池板引入緩沖層，常用的緩沖層材料為金屬氧化物、聚合物和有機(jī)小分子材料，金屬氧化物穩(wěn)定性好，但需要真空沉積方法得到薄膜；聚合物材料具有溶液化成膜的優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模印刷技術(shù)，但耐水氧穩(wěn)定性差；小分子材料也存在真空沉積的缺點(diǎn)，同時(shí)穩(wěn)定性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是針對(duì)背景技術(shù)的不足，采用碳點(diǎn)在太陽(yáng)能電池中做陰極緩沖層，先制備碳點(diǎn)，通過(guò)旋涂、蒸鍍陽(yáng)極緩沖層、有機(jī)活性層、陰極緩沖層、金屬陰極層，制成太陽(yáng)能電池板，以提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

技術(shù)方案

本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)材料為：乙炔、氬氣、聚{4,8雙[(2乙基己基)氧]苯并二噻吩-[3-氟-2[2-乙基己基羧酸酯]噻吩[3,4-b]噻吩、[6,6]-苯基C61丁酸甲酯、無(wú)水乙醇、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、鋁、氯苯、導(dǎo)電玻璃、N,N-二甲基甲酰胺、異丙醇、去離子水、無(wú)水甲醇，其準(zhǔn)備用量如下：以克、毫升、毫米、厘米³為計(jì)量單位

制備方法如下：

(1)化學(xué)氣相合成石墨化碳點(diǎn)

石墨化碳點(diǎn)的化學(xué)氣相合成是在管式高溫爐內(nèi)進(jìn)行的，是以乙炔為碳源、氬氣為載氣，在高溫加熱狀態(tài)下完成的；

①將石英管置于管式高溫爐內(nèi)的道軌上，在石英管兩端裝入密封塞，確定左部為進(jìn)氣口，右部為出氣口；

②石英管左部進(jìn)氣部位連接乙炔+氬氣的混合氣體箱，石英管右部出氣部位連接產(chǎn)物冷卻收集箱；

③開(kāi)啟管式高溫爐的加熱器，加熱溫度600℃±2℃，向石英管內(nèi)輸入氬氣，氬氣輸入速度200cm³/min，輸入時(shí)間為15min；

④管式高溫爐繼續(xù)升溫至1000℃±2℃，繼續(xù)輸入氬氣200cm³/min；

⑤開(kāi)啟乙炔氣體瓶，向石英管內(nèi)輸入乙炔氣體，乙炔氣體輸入速度80cm³/min，輸入時(shí)間60min；

乙炔氣體在高溫加熱、氬氣載流下將發(fā)生化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)換效應(yīng)，生成碳點(diǎn)，碳點(diǎn)產(chǎn)物隨氣體流動(dòng)進(jìn)入產(chǎn)物冷卻收集箱，廢氣由出氣口排出；

⑥停止加熱，停止輸入乙炔氣體，調(diào)整氬氣輸入速度為200cm³/min；

當(dāng)石英管內(nèi)溫度降至300℃時(shí)，停止輸氬氣，石英管隨爐冷卻至25℃；

⑦收集碳點(diǎn)

打開(kāi)冷卻收集箱，收集碳點(diǎn)；

⑧清洗、超聲分散

將碳點(diǎn)置于燒杯中，加入N,N-二甲基甲酰胺300mL，成混合液；

然后置于超聲分散儀內(nèi)進(jìn)行超聲分散，超聲波頻率40KHz，時(shí)間30min；

⑨抽濾

將混合液置于抽濾瓶的布氏漏斗，用三層中速定性濾紙進(jìn)行抽濾，留存濾餅，棄去洗滌液；

⑩真空冷凍干燥

將濾餅置于石英容器中，然后置于真空冷凍干燥箱中干燥，真空度6Pa，冷凍干燥溫度－80℃，冷凍干燥時(shí)間30min；

冷凍干燥后即為碳點(diǎn)；

(2)制備太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板為6層結(jié)構(gòu)，第1層為導(dǎo)電玻璃，第2層為陽(yáng)極層，即ITO層，第3層為陽(yáng)極緩沖層，第4層為有機(jī)活性層，第5層為陰極緩沖層，即碳點(diǎn)層，第6層為金屬陰極層，即鋁層；

①預(yù)處理導(dǎo)電玻璃

去離子水清洗，將導(dǎo)電玻璃置于玻片支架上，將支架置于燒杯中，加入去離子水150mL，然后置于超聲波分散儀上，進(jìn)行超聲清洗，超聲波頻率40KHz，超聲清洗時(shí)間30min；

無(wú)水乙醇清洗，將玻片支架及其上的導(dǎo)電玻璃置于另一燒杯中，加入無(wú)水乙醇150mL，然后置于超聲波分散儀上，進(jìn)行超聲清洗，超聲波頻率40KHz，超聲清洗時(shí)間30min；

異丙醇清洗，將玻片支架及其上的導(dǎo)電玻璃置于另一燒杯中，加入異丙醇150mL，然后置于超聲波分散儀上，進(jìn)行超聲清洗，超聲波頻率40KHz，超聲清洗時(shí)間30min；

紫外光照射，調(diào)整功函數(shù)，將清洗后的導(dǎo)電玻璃置于紫外光照射箱內(nèi)，密閉，紫外光功率40W，紫外光照射時(shí)間30min，照射后導(dǎo)電玻璃的功函數(shù)為4.8eV；

導(dǎo)電玻璃ITO面朝上，即為陽(yáng)極層；

②旋涂陽(yáng)極緩沖層

將預(yù)處理的導(dǎo)電玻璃置于旋涂?jī)x上，且ITO面朝上；

將聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸0.2mL±0.001mL置于導(dǎo)電玻璃上，開(kāi)啟旋涂?jī)x，旋涂速率為3500r/min，旋涂時(shí)間60s；

旋涂后，將導(dǎo)電玻璃置于真空熱處理爐中進(jìn)行熱處理，真空度6Pa，加熱溫度120℃，熱處理時(shí)間10min；

旋涂后即為陽(yáng)極緩沖層；

③旋涂有機(jī)活性層

配制旋涂液，稱(chēng)取聚{4,8雙[(2乙基己基)氧]苯并二噻吩-[3-氟-2[2-乙基己基羧酸酯]噻吩[3,4-b]噻吩0.01g±0.001g、[6,6]-苯基C61丁酸甲酯0.15g±0.001g，其質(zhì)量比為1:1.5，加入溶劑氯苯1mL±0.001mL，在燒杯中混合；然后置于超聲波分散儀中超聲分散混合，超聲波頻率40KHz，混合時(shí)間20min，成混合溶液；

將混合溶液置于陽(yáng)極緩沖層上部，密閉旋涂?jī)x，開(kāi)啟旋涂?jī)x，開(kāi)啟真空泵，儀內(nèi)真空度6Pa，旋涂速率1000r/min，旋涂時(shí)間60s；

旋涂后即為有機(jī)活性層；

④旋涂陰極緩沖層

配制旋涂液，稱(chēng)取碳點(diǎn)0.005g±0.001g、量取無(wú)水甲醇1mL±0.001mL，加入燒杯中；然后置于超聲波分散儀中，進(jìn)行超聲分散混合，超聲波頻率40KHz，超聲分散時(shí)間20min；分散后成0.0001g/mL的碳點(diǎn)旋涂液；

然后將碳點(diǎn)旋涂液0.15mL±0.001mL置于有機(jī)活性層上部，密閉旋涂?jī)x；開(kāi)啟旋涂?jī)x，開(kāi)啟真空泵，儀內(nèi)真空度6Pa，旋涂速率2500r/min，旋涂時(shí)間60s；

旋涂后即為陰極緩沖層；

⑤蒸鍍金屬陰極層，即鋁層

將旋涂了陰極緩沖層的導(dǎo)電玻璃置于真空蒸鍍儀內(nèi)頂部轉(zhuǎn)盤(pán)上，陰極緩沖層朝下；

將鋁2g±0.001g置于真空蒸鍍儀內(nèi)的底部靶臺(tái)上；

密閉真空蒸鍍儀，抽取儀內(nèi)空氣，使儀內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)9×10^-5Pa，并恒定；

開(kāi)啟真空蒸鍍儀內(nèi)頂部轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速10r/min；

開(kāi)啟真空蒸鍍儀內(nèi)底部靶臺(tái)的加熱器，加熱溫度680℃；

鋁在加熱過(guò)程中進(jìn)行形態(tài)轉(zhuǎn)換，沉積在陰極緩沖層上部；

停止加熱，冷卻后即為金屬陰極層；

⑥通過(guò)旋涂、蒸鍍，即完成了太陽(yáng)能電池板的制備；

(3)檢測(cè)、分析、表征

對(duì)制備的用碳點(diǎn)做陰極緩沖層的太陽(yáng)能電池板的形貌、發(fā)光性能進(jìn)行檢測(cè)、分析、表征；

用掃描電子顯微鏡進(jìn)行層狀結(jié)構(gòu)分析；

用光譜儀進(jìn)行發(fā)光性能分析；

結(jié)論：用碳點(diǎn)做陰極緩沖層的太陽(yáng)能電池板為6層結(jié)構(gòu)，以導(dǎo)電玻璃ITO為基層、陽(yáng)極層，以碳點(diǎn)為陰極緩沖層，以鋁為陰極層，可提高對(duì)電子的提取和傳輸能力，降低器件阻抗，能量轉(zhuǎn)換效率高，具有耐濕性能，可阻抗水、氧侵蝕，穩(wěn)定性好；

(4)產(chǎn)物儲(chǔ)存

對(duì)制備的用碳點(diǎn)做陰極緩沖層的太陽(yáng)能電池板要密閉避光儲(chǔ)存，要防曬、防潮，儲(chǔ)存溫度20℃，相對(duì)濕度≤10％。

有益效果

本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進(jìn)性，是針對(duì)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率低、穩(wěn)定性差的情況，采用導(dǎo)電玻璃ITO做陽(yáng)極層，有色金屬鋁做陰極層，增設(shè)了陰極緩沖層，先制備碳點(diǎn)，通過(guò)旋涂、蒸鍍陽(yáng)極緩沖層、有機(jī)活性層、陰極緩沖層、金屬陰極層，制得太陽(yáng)能電池板，提高了太陽(yáng)能電池板對(duì)電子的提取和傳輸能力，降低了器件的阻抗，能量轉(zhuǎn)換效率高，具有耐濕性能，可阻抗水、氧侵蝕，穩(wěn)定性好，此制備方法工藝先進(jìn)，數(shù)據(jù)精確翔實(shí)，從制備碳點(diǎn)到太陽(yáng)能電池板，可形成連續(xù)的工藝流程，是先進(jìn)的用碳點(diǎn)做陰極緩沖層的太陽(yáng)能電池板的制備方法。

附圖說(shuō)明

圖1、太陽(yáng)能電池板層狀結(jié)構(gòu)圖

圖2、旋涂太陽(yáng)能電池板陰極緩沖層狀態(tài)圖

圖3、蒸鍍太陽(yáng)能電池板陰極層狀態(tài)圖

圖4、太陽(yáng)能電池板在光照下電流密度與電壓特性曲線(xiàn)和外量子效率響應(yīng)曲線(xiàn)圖

圖中所示，附圖標(biāo)記清單如下：

1、旋涂?jī)x，2、第一電控箱，3、第一儀蓋，4、第一儀腔，5、轉(zhuǎn)機(jī)，6、托盤(pán)，7、旋涂盤(pán)，8、太陽(yáng)能電池板，9、第一顯示屏，10、第一指示燈，11、第一電源開(kāi)關(guān)，12、轉(zhuǎn)機(jī)控制器，13、第一真空泵控制器，14、第一真空泵，15、第一真空閥，16、第一真空管，17、第一導(dǎo)線(xiàn)，18、碳點(diǎn)混合液，19、第二儀蓋，20、第二儀腔，21、靶臺(tái)，22、加熱托盤(pán)，23鋁靶，24、轉(zhuǎn)盤(pán)，25、太陽(yáng)能電池板，26、第二真空泵，27、第二真空閥，28、第二真空管，29、第二顯示屏，30、第二指示燈，31、第二電源開(kāi)關(guān)，32、轉(zhuǎn)盤(pán)控制器，33、第二真空泵控制器，34、加熱溫度控制器，35、第二導(dǎo)線(xiàn)，36、真空蒸鍍儀，37、第二電控箱。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

制備使用的化學(xué)物質(zhì)的量值是按預(yù)先設(shè)置的范圍確定的，以克、毫升、毫米、厘米³為計(jì)量單位。

圖1所示，為太陽(yáng)能電池板層狀結(jié)構(gòu)圖，太陽(yáng)能電池板為6層結(jié)構(gòu)，第一層為導(dǎo)電玻璃層，即基層，導(dǎo)電玻璃上部ITO層為陽(yáng)極層，陽(yáng)極層上部為陽(yáng)極緩沖層，陽(yáng)極緩沖層上部為有機(jī)活性層，有機(jī)活性層上部為陰極緩沖層，即碳點(diǎn)層，陰極緩沖層上部為金屬陰極層，即鋁層。

圖2所示，為旋涂太陽(yáng)能電池板陰極緩沖層狀態(tài)圖，各部位置、連接關(guān)系要正確，按序操作。

旋涂?jī)x為臥式，在旋涂?jī)x1的下部為第一電控箱2、上部為第一儀蓋3、內(nèi)部為第一儀腔4；在第一儀腔4的中間部位設(shè)有轉(zhuǎn)機(jī)5，在轉(zhuǎn)機(jī)5上部連接托盤(pán)6，托盤(pán)6上部連接旋涂盤(pán)7，旋涂盤(pán)7上部中間位置置放太陽(yáng)能電池板8，在太陽(yáng)能電池板8上部為碳點(diǎn)混合液18；在旋涂?jī)x1的左部設(shè)有第一真空泵14，第一真空泵14上部設(shè)有第一真空閥15、第一真空管16，并連通第一儀腔4；在第一電控箱2上設(shè)有第一顯示屏9、第一指示燈10、第一電源開(kāi)關(guān)11、轉(zhuǎn)機(jī)控制器12、第一真空泵控制器13，第一電控箱2通過(guò)第一導(dǎo)線(xiàn)17與第一真空泵14連接。

圖3所示，為蒸鍍太陽(yáng)能電池板陰極層狀態(tài)圖，各部位置、連接關(guān)系要做正確，按序操作。

真空蒸鍍儀為立式，在真空蒸鍍儀36的下部為第二電控箱37、上部為第二儀蓋19、內(nèi)部為第二儀腔20；在第二儀腔20的中間下部設(shè)有靶臺(tái)21，在靶臺(tái)21上部為加熱托盤(pán)22，加熱托盤(pán)22上部為鋁靶23；在第二儀蓋19內(nèi)下部設(shè)有轉(zhuǎn)盤(pán)24，在轉(zhuǎn)盤(pán)24下部安裝太陽(yáng)能電池板25；在真空蒸鍍儀36的右下部設(shè)有第二真空泵26，在第二真空泵26上部設(shè)有第二真空閥27、第二真空管28，并與第二儀腔20連通；在第二電控箱37上設(shè)有第二顯示屏29、第二指示燈30、第二電源開(kāi)關(guān)31、轉(zhuǎn)盤(pán)控制器32、第二真空泵控制器33、加熱溫度控制器34；第二電控箱37通過(guò)第二導(dǎo)線(xiàn)35與第二真空泵26連接。

圖4所示，為太陽(yáng)能電池板在光照下電流密度與電壓特性曲線(xiàn)和外量子效率相應(yīng)曲線(xiàn)圖，圖中所示，a圖為電流密度與電壓特性曲線(xiàn)圖，b圖為外量子效率曲線(xiàn)圖，器件的能量轉(zhuǎn)換效率為6.85％。