CN113270550A - 一种全高分子活性层室内光伏模组及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全高分子活性层室内光伏模组及其制备方法与应用，属于光伏电池技术领域。本发明的全高分子活性层室内光伏模组由多个子电池单元串联而成。本发明的全高分子活性层室内光伏模组的制备方法选择全高分子材料制备光活性层，利用激光蚀刻进行基底图案化，并利用旋涂、刮涂与真空热沉积方法实现功能层与电极的沉积，得到光伏模组器件。本发明还提供了全高分子活性层室内光伏模组在室内传感器自供电领域的应用。该室内光伏模组能够提供高输出电压与超过100μW的输出功率，具有较高的光电转化效率、良好的器件稳定性与优异的机械性质，适合于柔性器件的制备，在物联网工程中的室内传感器自供电领域具有较大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电池技术领域，具体涉及一种全高分子活性层室内光伏模组及其制备方法与应用。
背景技术
物联网的快速发展对室内光伏技术的进步提出了需求，这是由于物联网工程需要大量的室内传感器元件，这些元件的功耗大部分在百微瓦量级，目前主要采用电池为其供电，但电池的寿命有限且需要及时更换，会提高技术的应用成本。有机室内光伏由于具有溶液加工、柔性、低成本等优势，且有机材料的吸收光谱具有很强的可调性，易与各种室内光源匹配，是目前最有希望的自供电技术。全高分子光伏电池是活性层由高分子给体与高分子受体组成的有机光伏电池，由于其具有形貌稳定性好、机械性质优异的特点，可以减少微电子光伏器件的更换频率，并有效降低应用成本，在室内传感器自供电领域具有广阔的应用前景。
模组技术是指通过串联光伏电池单元的方式制备的光伏器件，它能够最小化串联电阻，从而在大面积下实现较高的光电转化效率，且能够提供高的输出电压与输出功率，更适合与储能设备集成。由于单节室内光伏电池输出电压较低，且在大面积制备过程中器件性能衰减明显，输出功率有限。因此要实现室内光伏为物联网技术所需求的百微瓦量级的传感器供电，需要发展全高分子活性层室内光伏模组。目前面向室内光伏应用的模组报道较少，器件性能较低。因此，如何通过合理的材料选择与器件结构设计，通过室内光伏模组解决室内传感器自供电问题，已成为领域内诸多研究人员亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种全高分子活性层室内光伏模组及其制备方法与应用。该室内光伏模组由多个电池单元串联而成，具有高的输出电压、较高的光电转化效率并且能够提供室内传感器运行所需百微瓦级输出功率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种全高分子活性层室内光伏模组，该室内光伏模组由多个子电池单元串联而成；
每个所述子电池单元结构为正置器件，从下到上依次包括：基底、阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极；
或者每个所述子电池单元结构为倒置器件，从下到上依次包括：基底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极；
所述光活性层为高分子给体与高分子受体组成的全高分子光活性层。
在上述技术方案中，优选的是：所述子电池单元的个数为大于等于2的整数；所述子电池单元光活性面积相同，长与宽大小范围均在0.5～10cm。
在上述技术方案中，优选的是：所述高分子给体为CD1、D18、J61、PBDB-T、PM6或者PTB7-Th，分子结构式依次如1-6所示：
在上述技术方案中，优选的是：所述高分子受体为PBN-10、PBN-21、PBN-25、PBN-26或者N2200，分子结构式依次如7-11所示：
式1-11中，n为大于等于2的整数。
在上述技术方案中，优选的是：当所述子电池单元结构为正置器件时，所述的基底材料为玻璃、PET或PEN，厚度为0.1～1.5mm；阳极材料为ITO，厚度为80～150nm；空穴传输层材料为PEDOT:PSS，厚度为25～50mm；光活性层厚度为60～300nm；电子传输层材料为LiF、Ca、PDINO或PFN-Br，厚度为0.5～20nm；阴极材料为Al或Ag，厚度为80～120nm。
在上述技术方案中，优选的是：当所述子电池单元结构为倒置器件时，所述的基底材料为玻璃或PET或PEN，厚度为0.1～1.5mm；阴极材料为ITO，厚度为80～150nm；电子传输层材料为ZnO，厚度为10～30nm；光活性层厚度为60～300nm；空穴传输层材料为MoO3，厚度为10～25nm；阳极材料为Al或Ag，厚度为80～120nm。
本发明还提供一种全高分子活性层室内光伏模组的制备方法，包括以下步骤：
利用化学蚀刻或激光蚀刻对基底上的阴极或者阳极功能层(ITO)进行图案化处理，完成后利用有机溶剂超声清洗基底，并进行紫外-臭氧处理以降低基底的表面能；采用旋涂或刮涂方法逐层沉积空穴传输层、全高分子光活性层与电子传输层，或者逐层沉积电子传输层、全高分子光活性层与空穴传输层，最后利用真空热沉积方法沉积金属电极，得到子电池单元，将多个子电池单元串联后制成全高分子活性层室内光伏模组。
在上述技术方案中，优选的是，所述全高分子光活性层的高分子给体与高分子受体材料以1.6：1～1：1.6质量比例共混。
在上述技术方案中，优选的是，所述有机溶剂为丙酮与异丙醇；所述紫外-臭氧处理时间为5～60min。
本发明还提供一种全高分子活性层室内光伏模组在物联网室内传感器自供电领域的应用。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供的全高分子活性层室内光伏模组，该光伏模组通过基底图案化与结构设计实现了子电池单元的串联，减小了大面积光伏器件的串联电阻，从而在大面积下实现较高的光电转化效率。
2)本发明提供的全高分子活性层室内光伏模组，该光伏模组的光活性层由高分子给体与高分子受体组成，器件的稳定性良好且机械性质优异，适合于柔性电子器件的制备。
3)本发明提供的全高分子活性层室内光伏模组，该光伏模组在室内光下的输出功率超过100μW，能够满足室内传感器的自供电需求，降低运行成本。
4)本发明提供的全高分子活性层室内光伏模组，该光伏模组在室内光下的输出电压远高于单节光伏电池，更适合与超级电容器、锂电池等储能设备集成。
5)本发明提供的全高分子活性层室内光伏模组的制备方法，选用高分子给体与高分子受体作为活性层材料，采用基底图案化与功能层逐层沉积相结合的方法制备了全高分子活性层室内光伏模组，所得室内光伏模组具有高的输出电压、较高的光电转化效率并且能够提供室内传感器运行所需百微瓦级输出功率。
6)本发明提供的全高分子活性层室内光伏模组适合用在物联网室内传感器自供电领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明实施例1-8中子电池单元的器件结构示意图；
图2为本发明实施例1中测试用LED灯的发射光谱；
图3为本发明实施例1中J61/PBN-10刚性模组器件的光伏特性曲线；
图4为本发明实施例2中PBDB-T/PBN-26柔性模组器件的光伏特性曲线；
图5为本发明实施例3中CD1/PBN-21刚性模组器件的光伏特性曲线；
图6为本发明实施例4中CD1/PBN-10柔性模组器件的光伏特性曲线；
图7分本发明实施例5中J61/N2200刚性模组器件的光伏特性曲线；
图8为本发明实施例6中PM6/PBN-26柔性模组器件的光伏特性曲线；
图9为本发明实施例7中PM6/PBN-25刚性模组器件的光伏特性曲线；
图10为本发明实施例8中D18/PBN-25柔性模组器件的光伏特性曲线；
图11为本发明实施例3中应用于室内光伏模组的高分子给体CD1与高分子受体PBN-21典型吸收光谱；
图12为本发明实施例3中CD1/PBN-21模组器件于1000luxLED灯下连续工作200h的光伏性能变化。
图13为本发明的全高分子活性层室内光伏模组的结构示意图。
图14为本发明的全高分子活性层室内光伏模组的子电池单元的截面图。
图15为本发明的全高分子活性层室内光伏模组在物联网室内传感器自供电领域的应用示意图。
具体实施方式
本发明提供一种全高分子活性层室内光伏模组，器件结构如图13所示：
该室内光伏模组由多个子电池单元串联而成；
每个所述子电池单元结构为正置器件，从下到上依次包括：基底、阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极；
或者每个所述子电池单元结构为倒置器件，从下到上依次包括：基底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极；
所述光活性层为高分子给体与高分子受体的全高分子光活性层。
按照本发明，该室内光伏模组的各个子电池单元光活性面积相同，子电池单元的长与宽大小范围为0.5～10cm，优选为0.5～5cm。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组基底的图案化过程，采用化学蚀刻或激光蚀刻实现ITO电极的图案化与子电池单元的串并联。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组的光活性层由高分子给体与高分子受体组成，采用异质结型或平面型结构。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组的子电池单元采用正置或倒置器件结构，具体形式见附图1。
当所述子电池单元结构为正置器件时，所述的基底材料为玻璃、PET或PEN，厚度为0.1～1.5mm；阳极材料为ITO，厚度为80～150nm；空穴传输层材料为PEDOT:PSS，厚度为25～50mm；光活性层厚度为60～300nm；电子传输层材料为LiF、Ca、PDINO或PFN-Br，厚度为0.5～20nm；阴极材料为Al或Ag，厚度为80～120nm。
当所述子电池单元结构为倒置器件时，所述的基底材料为玻璃或PET或PEN，厚度为0.1～1.5mm；阴极材料为ITO，厚度为80～150nm；电子传输层材料为ZnO，厚度为10～30nm；光活性层厚度为60～300nm；空穴传输层材料为MoO3，厚度为10～25nm；阳极材料为Al或Ag，厚度为80～120nm。
本发明还提供一种全高分子活性层室内光伏模组的制备方法，选用高分子给体与高分子受体作为活性层材料，采用基底图案化与功能层逐层沉积相结合的方法制备了全高分子活性层室内光伏模组，模组器件的截面图如图14所示，作为优选方案，包括以下步骤：
利用化学蚀刻或激光蚀刻对基底上的阴极或者阳极功能层(ITO)进行图案化处理，完成后利用有机溶剂超声清洗基底，并进行紫外-臭氧处理以降低基底的表面能；采用旋涂或刮涂方法逐层沉积空穴传输层、全高分子光活性层与电子传输层，或者逐层沉积电子传输层、全高分子光活性层与空穴传输层，最后利用真空热沉积方法沉积金属电极，得到子电池单元，将多个子电池单元串联后制成全高分子活性层室内光伏模组。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组光活性层沉积过程，优选包括：高分子给体与高分子受体材料以1.6：1～1：1.6质量比例共混，并采用有机溶剂热溶解0.5h～4h，采用旋涂、刮涂、狭缝涂布或卷对卷涂布方法成膜。所述共混溶液浓度优选为5mg/mL～30mg/mL，更优选为8mg/mL～20mg/mL。所述有机溶剂优选为氯苯、氯仿、四氢呋喃、甲苯、四氟苯、氯萘及相应的混合溶剂。
按照本发明，利用有机溶剂超声清洗基底，所述的有机溶剂为丙酮与异丙醇。
按照本发明，所述紫外-臭氧处理时间为5～60min。
按照本发明，所述高分子给体优选为CD1、D18、J61、PBDB-T、PM6、PTB7-Th，分子结构依次如1-6所示：
按照本发明，所述高分子受体优选为PBN-10、PBN-21、PBN-25、PBN-26、N2200，分子结构依次如7-11所示：
式1-11中，n为大于等于2的整数。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组有机空穴传输层沉积过程，优选包括：将PEDOTAL4083通过注射滤膜过滤，采用旋涂或刮涂的方法制备薄膜，最后于100～140℃下对薄膜进行热退火处理，退火时间控制在5～60min，薄膜厚度控制为25～50nm。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组无机空穴传输层沉积过程，优选包括：将MoO3置于钽舟上并移入真空蒸镀设备，在2×10-4Pa压力下金属电极热蒸发沉积10～25nm厚的薄膜。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组有机电子传输层沉积过程，优选包括：将PDINO、PFN-Br配置成0.4～2mgmL-1的甲醇、乙醇等的溶液，然后，将共混溶液搅拌0.5～5h后通过旋涂或刮涂的方法制备0.5～20nm厚的薄膜。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组无机电子传输层沉积过程，优选包括：将0.28g乙醇胺与1g醋酸锌加入至10mL甲氧基乙醇溶剂中，室温搅拌4-24h，使用注射器滤膜过滤后，以旋涂或刮涂方式成膜，于80～180℃下对薄膜进行热退火处理30～120min，薄膜厚度控制为10～30nm。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组无机电子传输层沉积过程，优选包括：将LiF或Ca置于钽舟上并移入真空蒸镀设备，在2×10-4Pa压力下金属电极热蒸发沉积0.5～20nm厚的薄膜。
按照本发明，所述的全高分子活性层室内光伏模组金属电极沉积过程，优选包括：将Al或Ag置于钼舟上并移入真空蒸镀设备，在2×10-4Pa压力下金属电极热蒸发沉积80～120nm厚的薄膜。
按照本发明，采用上述方法制备的室内光伏模组在辐照度为1000lux的LED灯光下，光电转化效率超过12％，输出功率超过36μW/cm2，输出电压在4V以上；
对于室内光电转化效率测试，采用Keithley2400数字源表测量模组器件的光伏曲线，LED灯的发射光谱与光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪测量，LED灯的发射光谱见附图2。
本发明还提供一种全高分子活性层室内光伏模组在物联网室内传感器自供电领域的应用，示意图参见图15。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供全高分子活性层室内光伏模组的材料选择、制备方法及光伏性能测试进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。实施例中涉及到的原料均为商购获得。
实施例1：J61/PBN-10全高分子活性层室内光伏模组，材料结构如3、7所示：
一、基底的图案化与预处理
将玻璃-ITO基底使用激光蚀刻机进行基底图案化，基底规格为4cm×4cm，串接子电池单元数目为6，电池单元规格为2.4cm×0.4cm，几何填充因子36％。将处理后的基片置于蒸馏水、异丙醇、丙酮中超声清洗10min，转移至100℃烘箱中干燥15min，使用前紫外-臭氧处理10min，放置备用。
二、功能层与电极的沉积
称量0.28g乙醇胺与1g醋酸锌，量取10mL甲氧基乙醇，加入25mL圆底烧瓶室温搅拌过夜，使用注射器滤膜过滤，刮刀高度调至距基底50μm，将60μL溶液滴至基底上，并以15mm/s的速度刮涂成膜，180℃下热处理1h，储存备用，使用光学轮廓仪表征该电子传输层厚度为30nm。
向2mL样品瓶中加入6mg化合物3、6mg化合物7与1mLCF干燥溶剂，将混合溶液于50℃下以800转/分的速度搅拌2h，冷却至室温后加入10μL氯萘，继续搅拌0.5h备用。使用移液枪将80μL共混溶液滴至基片上，将刮刀调至距基底120μm高，以45mm/s的速度刮涂成膜，将湿膜于80℃下热退火10min，使用光学轮廓仪表征该光活性层厚度为120nm。
将基片放置于金属掩模板上，并转移至真空镀膜机中，抽真空至箱压低于2×10- 4Pa，采用热蒸发方法分别以0.3nm/s、1nm/s的速度沉积20nmMoO3作为空穴传输层与100nmAg电极，得到全高分子活性层室内光伏模组器件。
三、J61/PBN-10全高分子活性层室内光伏模组器件的性能表征
使用Keithley2400数字源表测量J61/PBN-10模组器件在1000lux室内LED灯下的光伏性能，室内光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪标定。模组器件的光伏特性曲线见附图3，详细参数列于表1中。
对以刚性玻璃为基底的全高分子模组器件进行光伏性能与功率输出测试，结果如下：在1000lux室内光照下，输出电压5.37V，光电转化效率15.46％，输出功率271.6μW。
实施例2：PBDB-T/PBN-26全高分子活性层室内光伏模组，材料结构如4、10所示：
一、基底的图案化与预处理
将PET-ITO基底使用激光蚀刻机进行基底图案化，基底规格为4cm×4cm，串接子电池单元数目为6，电池单元规格为2.4cm×0.4cm，几何填充因子36％。将处理后的基片置于蒸馏水、异丙醇、丙酮中超声清洗10min，转移至100℃烘箱中干燥15min，使用前紫外-臭氧处理10min，放置备用。
二、功能层与电极的沉积
将PEDOTAl4083水溶液使用注射器滤膜过滤，将150μL溶液滴至基底上，并以3000转/分的速度旋涂成膜，110℃热处理15min，于氮气氛围下储存备用，使用光学轮廓仪表征该空穴传输层厚度为45nm。
向2mL样品瓶中加入5mg化合物4、7mg化合物10与1mLCF与THF的混合溶剂，体积比为97：3，将混合溶液于50℃下以350转/分的速度搅拌1.5h，冷却至室温后继续搅拌1h备用。使用移液枪将500μL共混溶液滴至基片上，以2500转/分的速度旋涂成膜，将湿膜于80℃下热退火10min，使用光学轮廓仪表征该光活性层厚度为95nm。
将基片放置于金属掩模板上，并转移至真空镀膜机中，抽真空至箱压低于2×10- 4Pa，采用热蒸发方法分别以0.05nm/s、1nm/s的速度沉积0.5nmLiF作为电子传输层与100nmAg电极，得到全高分子活性层室内光伏模组器件。
三、PBDB-T/PBN-26全高分子活性层室内光伏模组器件的性能表征
使用Keithley2400数字源表测量PBDB-T/PBN-26模组器件在1000lux室内LED灯下的光伏性能，室内光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪标定。模组器件的光伏特性曲线见附图4，详细参数列于表1中。
对以柔性PEN为基底的全高分子模组器件进行光伏性能与功率输出测试，结果如下：在1000lux室内光照下，输出电压4.08V，光电转化效率10.81％，输出功率189.9μW。
实施例3：CD1/PBN-21全高分子活性层室内光伏模组，材料结构如1、8所示：
材料的吸收光谱见附图11，结果如下：CD1的主要光吸收范围为400nm-660nm，PBN-21的主要光吸收范围为490nm-670nm，两种材料的光吸收均在可见光范围，适合应用于室内光伏电池器件的制备。
一、基底的图案化与预处理
将玻璃-ITO基底使用激光蚀刻机进行基底图案化，基底规格为5cm×5cm，串接子电池单元数目为5，电池单元规格为4cm×0.5cm，几何填充因子40％。将处理后的基片分别置于蒸馏水、异丙醇、丙酮中超声清洗10min，并转移至100℃烘箱中干燥30min，使用前紫外-臭氧处理10min，放置备用。
二、功能层与电极的沉积
将PEDOTAl4083水溶液使用注射器滤膜过滤，将200μL溶液滴至基底上，并以3000转/分的速度旋涂成膜，110℃热处理15min，于氮气氛围下储存备用，使用光学轮廓仪表征该空穴传输层厚度为45nm。
向2mL样品瓶中加入2mg化合物1、2mg化合物8与500μL干燥THF，将混合溶液于50℃下以250转/分的速度搅拌2h，冷却至室温后继续搅拌30min备用。将刮刀调整至距基底150μm，取用80μL共混溶液滴至基片上，以25mm/s速度刮涂成膜，将湿膜于90℃下热退火10min，使用光学轮廓仪表征该光活性层厚度为115nm。
将基片放置于金属掩模板上，并转移至真空镀膜机中，抽真空至箱压低于2×10- 4Pa，采用热蒸发方法分别以0.05nm/s、1nm/s的速度沉积0.5nmLiF作为电子传输层与100nmAl电极，得到全高分子活性层室内光伏模组器件。
三、CD1/PBN-21全高分子活性层室内光伏模组器件的性能表征
使用Keithley2400数字源表测量CD1/PBN-21模组器件在1000lux室内LED灯下的光伏性能，室内光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪标定。模组器件的光伏特性曲线见附图5，详细参数列于表1中。
对以玻璃为基底的全高分子模组器件进行光伏性能与功率输出测试，结果如下：在1000lux室内光照下，输出电压4.20V，光电转化效率12.04％，输出功率367.2μW。
对CD1/PBN-21光伏模组在1000luxLED灯下的光稳定性进行了检测，性能稳定性曲线见附图12，结果如下：经过200h连续室内光照后，模组器件的光电转化效率保持在最初性能的89％，模组器件稳定性良好。
实施例4：CD1/PBN-10全高分子活性层室内光伏模组，材料结构如1、7所示：
一、基底的图案化与预处理
将PET-ITO基底使用激光蚀刻机进行基底图案化，基底规格为5cm×5cm，串接子电池单元数目为5，电池单元规格为4cm×0.5cm，几何填充因子40％。将处理后的基片分别置于蒸馏水、异丙醇、丙酮中超声清洗10min，并转移至80℃烘箱中干燥10min，使用前紫外-臭氧处理10min，放置备用。
二、功能层与电极的沉积
将PEDOTAl4083水溶液使用注射器滤膜过滤，将300μL溶液滴至基底上，并以5000转/分钟的速度旋涂成膜，110℃下热处理15min，于氮气氛围下储存备用，使用光学轮廓仪表征该空穴传输层厚度为35nm。
向2mL样品瓶中加入4.5mg化合物1、4.5mg化合物7与1mL干燥CF溶剂，将混合溶液于55℃下以500转/分的速度搅拌2h，冷却至室温后加入15μL氯萘作为溶剂添加剂，继续搅拌0.5h备用。刮涂基板恒温至55℃，使用移液枪将80μL共混溶液滴至基片上，以45mm/s的速度刮涂成膜，薄膜晾制30min后，于100℃下热退火10min，使用光学轮廓仪表征该光活性层厚度为125nm。
向2mL样品瓶中加入1mgPDINO与1mL甲醇溶剂，室温下搅拌12h，使用移液枪将300μL溶液滴至基片上，以3000转/分钟的速度旋涂成膜，使用光学轮廓仪表征该电子传输层厚度为30nm.
将基片放置于金属掩模板上，并转移至真空镀膜机中，抽真空至箱压低于2×10- 4Pa，采用热蒸发方法以1nm/s的速度沉积100nmAg电极，得到全高分子活性层室内光伏模组器件。
三、CD1/PBN-10全高分子活性层室内光伏模组器件的性能表征
使用Keithley2400数字源表测量CD1/PBN-10模组器件在1000lux室内LED灯下的光伏性能，室内光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪标定。模组器件的光伏特性曲线见附图6，详细参数列于表1中。
对以刚性玻璃为基底的全高分子模组器件进行光伏性能与功率输出测试，结果如下：在1000lux室内光照下，输出电压4.62V，光电转化效率18.63％，输出功率568.2μW。
实施例5：J61/N2200全高分子活性层室内光伏模组，材料结构如3、11所示：
一、基底的图案化与预处理
将玻璃-ITO基底使用激光蚀刻机进行基底图案化，基底规格8cm×8cm，串接子电池单元数目为8，电池单元规格为7cm×0.8cm，几何填充因子70％。将处理后的基片用碱液浸泡10min，置于蒸馏水、异丙醇、丙酮中超声清洗20min，转移至100℃烘箱中干燥20min，使用前紫外-臭氧处理30min，放置备用。
二、功能层与电极的沉积
将PEDOTAl4083水溶液使用注射器滤膜过滤，调整刮刀高度至距基底50μm，将200μL溶液滴至基底上，并以10mm/s的速度刮涂成膜，120℃下热处理30min，于氮气氛围下储存备用，使用光学轮廓仪表征该空穴传输层厚度为40nm。
向2mL样品瓶中加入6mg化合物3、3mg化合物11与1mL干燥CF溶剂，将混合溶液于55℃下以500转/分的速度搅拌2h，冷却至室温后继续搅拌1h备用。使用移液枪将200μL共混溶液滴至基片上，以60mm/s的速度刮涂成膜，于100℃下热退火10min，使用光学轮廓仪表征该光活性层厚度为160nm。
将基片放置于金属掩模板上，并转移至真空镀膜机中，抽真空至箱压低于2×10- 4Pa，采用热蒸发方法分别以0.05nm/s、1nm/s的速度沉积0.5nmLiF作为电子传输层与100nmAl电极，得到全高分子活性层室内光伏模组器件。
三、J61/N2200全高分子活性层室内光伏模组器件的性能表征
使用Keithley2400数字源表测量J61/N2200模组器件在1000lux室内LED灯下的光伏性能，室内光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪标定。模组器件的光伏特性曲线见附图7，详细参数列于表1中。
对以刚性玻璃为基底的全高分子模组器件进行光伏性能与功率输出测试，结果如下：在1000lux室内光照下，输出电压4.93V，光电转化效率10.53％，输出功率1438.8mW。
实施例6：PM6/PBN-26全高分子活性层室内光伏模组，材料结构如5、10所示：
一、基底的图案化与预处理
将PEN-ITO基底使用激光蚀刻机进行基底图案化，基底规格8cm×8cm，串接子电池单元数目为8，电池单元规格为7cm×0.8cm，几何填充因子70％。将处理后的基片置于蒸馏水、异丙醇、丙酮中超声清洗20min，转移至100℃烘箱中干燥20min，使用前紫外-臭氧处理30min，放置备用。
二、功能层与电极的沉积
称量0.28g乙醇胺与1g醋酸锌，量取10mL甲氧基乙醇，加入25mL圆底烧瓶室温搅拌过夜，使用注射器滤膜过滤，刮刀高度调至距基底70μm，将150μL溶液滴至基底上，并以25mm/s的速度刮涂成膜，90℃下热处理1.5h，储存备用，使用光学轮廓仪表征该电子传输层厚度为40nm。
向2mL样品瓶中加入6mg化合物5、9mg化合物10与1mL干燥CF溶剂，将混合溶液于55℃下以500转/分的速度搅拌2h，冷却至室温后加入30μL氯萘添加剂，继续搅拌0.5h备用。将刮刀调至距基底120μm高，使用移液枪将200μL共混溶液滴至基片上，以60mm/s的速度刮涂成膜，于100℃下热退火10min，使用光学轮廓仪表征该光活性层厚度为160nm。
将基片放置于金属掩模板上，并转移至真空镀膜机中，抽真空至箱压低于2×10- 4Pa，采用热蒸发方法分别以0.3nm/s、1nm/s的速度沉积20nmMoO3作为空穴传输层与100nmAl电极，得到全高分子活性层室内光伏模组器件。
三、PM6/PBN-26全高分子活性层室内光伏模组器件的性能表征
使用Keithley2400数字源表测量PM6/PBN-26模组器件在1000lux室内LED灯下的光伏性能，室内光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪标定。模组器件的光伏特性曲线见附图8，详细参数列于表1中。
对以柔性PEN为基底的全高分子模组器件进行光伏性能与功率输出测试，结果如下：在1000lux室内光照下，输出电压4.62V，光电转化效率7.93％，输出功率1083.6mW。
实施例7：PM6/PBN-25全高分子活性层室内光伏模组，材料结构如5、9所示：
一、基底的图案化与预处理
将玻璃-ITO基底使用激光蚀刻机进行基底图案化，基底规格为10cm×10cm，串接子电池单元数目为10，电池单元规格为8cm×0.7cm，几何填充因子56％。将处理后的基片使用碱液浸泡5min，并分别置于蒸馏水、异丙醇、丙酮中超声清洗15min，转移至100℃烘箱中干燥30min，使用前紫外-臭氧处理15min，放置备用。
二、功能层与电极的沉积
将PEDOTAl4083水溶液使用注射器滤膜过滤，调整刮刀高度至距基底50μm，将200μL溶液滴至基底上，并以10mm/s的速度刮涂成膜，120℃下热处理30min，于氮气氛围下储存备用，使用光学轮廓仪表征该空穴传输层厚度为40nm。
向2mL样品瓶中加入5.2mg化合物5、6.8mg化合物9与1mL干燥CF溶剂，将混合溶液于55℃下以500转/分的速度搅拌2h，冷却至室温后加入30μL氯萘作为溶剂添加剂，继续搅拌0.5h备用。刮涂基板恒温至55℃，使用移液枪将200μL共混溶液滴至基片上，以45mm/s的速度刮涂成膜，薄膜晾制30min后，于100℃下热退火10min，使用光学轮廓仪表征该光活性层厚度为110nm。
向2mL样品瓶中加入0.6mgPFN-Br与1.2mL甲醇溶剂，室温下搅拌8h，使用移液枪将1mL溶液滴至基片上，以3000转/分钟的速度旋涂成膜，使用光学轮廓仪表征该电子传输层厚度为20nm.
将基片放置于金属掩模板上，并转移至真空镀膜机中，抽真空至箱压低于2×10- 4Pa，采用热蒸发方法以1nm/s的速度沉积100nmAl电极，得到全高分子活性层室内光伏模组器件。
三、PM6/PBN-25全高分子活性层室内光伏模组器件的性能表征
使用Keithley2400数字源表测量PM6/PBN-25模组器件在1000lux室内LED灯下的光伏性能，室内光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪标定。模组器件的光伏特性曲线见附图9，详细参数列于表1中。
对以刚性玻璃为基底的全高分子模组器件进行光伏性能与功率输出测试，结果如下：在1000lux室内光照下，输出电压5.52V，光电转化效率17.41％，输出功率2973.6mW。
实施例8：D18/PBN-25全高分子活性层室内光伏模组，材料结构如2、9所示：
一、基底的图案化与预处理
将PEN-ITO基底使用激光蚀刻机进行基底图案化，基底规格为10cm×10cm，串接子电池单元数目为10，电池单元规格为8cm×0.7cm，几何填充因子56％。将处理后的基片分别置于蒸馏水、异丙醇、丙酮中超声清洗15min，转移至100℃烘箱中干燥30min，使用前紫外-臭氧处理15min，放置备用。
二、功能层与电极的沉积
称量0.28g乙醇胺与1g醋酸锌，量取10mL甲氧基乙醇，加入25mL圆底烧瓶室温搅拌12h，使用注射器滤膜过滤，将500μL溶液滴至基底上，并以2000转/分的速度旋涂成膜，110℃下热处理1.5h，储存备用，使用光学轮廓仪表征该电子传输层厚度为30nm。
向2mL样品瓶中加入6mg化合物2、9mg化合物9与1mL干燥CF，将混合溶液于55℃下以500转/分的速度搅拌3h使其充分溶解，冷却至室温后静置2h，以提升共混膜的相区纯度。将刮刀调整至距基底120μm，取用200μL共混溶液滴至基片上，以30mm/s速度刮涂成膜，将湿膜于饱和CF蒸汽下溶剂蒸汽退火1min，使用光学轮廓仪表征该光活性层厚度为140nm。
将基片放置于金属掩模板上，并转移至真空镀膜机中，抽真空至箱压低于2×10- 4Pa，采用热蒸发方法分别以0.3nm/s、1nm/s的速度沉积20nmMoO3作为空穴传输层与100nmAg电极，得到全高分子活性层室内光伏模组器件。
三、D18/PBN-25全高分子活性层室内光伏模组器件的性能表征
使用Keithley2400数字源表测量D18/PBN-25模组器件在1000lux室内LED灯下的光伏性能，室内光强使用Maya2000Pro光纤光谱仪标定。模组器件的光伏特性曲线见附图10，详细参数列于表1中。
对以柔性PEN为基底的全高分子模组器件进行光伏性能与功率输出测试，结果如下：在1000lux室内光照下，输出电压5.68V，光电转化效率14.37％，输出功率2454.4mW。
表1本发明提供的全高分子活性层室内光伏模组光伏性能参数。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而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的变化或变动。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 (10)
1.一种全高分子活性层室内光伏模组，其特征在于，该室内光伏模组由多个子电池单元串联而成；
每个所述子电池单元结构为正置器件，从下到上依次包括：基底、阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极；
或者每个所述子电池单元结构为倒置器件，从下到上依次包括：基底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和阳极；
所述光活性层为高分子给体与高分子受体的全高分子光活性层。
2.根据权利要求1所述的全高分子活性层室内光伏模组，其特征在于，所述子电池单元的个数为大于等于2的整数；所述子电池单元的长与宽大小范围均在0.5～10cm。
3.根据权利要求1所述的全高分子活性层室内光伏模组，其特征在于，所述高分子给体为CD1、D18、J61、PBDB-T、PM6或者PTB7-Th，分子结构式依次如1-6所示：
其中：n为大于等于2的整数。
4.根据权利要求1所述的全高分子活性层室内光伏模组，其特征在于，所述高分子受体为PBN-10、PBN-21、PBN-25、PBN-26或者N2200，分子结构式依次如7-11所示：
其中：n为大于等于2的整数。
5.根据权利要求1所述的全高分子活性层室内光伏模组，其特征在于，当所述子电池单元结构为正置器件时，所述的基底材料为玻璃、PET或PEN，厚度为0.1～1.5mm；阳极材料为ITO，厚度为80～150nm；空穴传输层材料为PEDOT:PSS，厚度为25～50mm；光活性层厚度为60～300nm；电子传输层材料为LiF、Ca、PDINO或PFN-Br，厚度为0.5～20nm；阴极材料为Al或Ag，厚度为80～120nm。
6.根据权利要求1所述的全高分子活性层室内光伏模组，其特征在于，当所述子电池单元结构为倒置器件时，所述的基底材料为玻璃或PET或PEN，厚度为0.1～1.5mm；阴极材料为ITO，厚度为80～150nm；电子传输层材料为ZnO，厚度为10～30nm；光活性层厚度为60～300nm；空穴传输层材料为MoO3，厚度为10～25nm；阳极材料为Al或Ag，厚度为80～120nm。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的全高分子活性层室内光伏模组的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用化学蚀刻或激光蚀刻对基底上的阴极或者阳极功能层进行图案化处理，完成后利用有机溶剂超声清洗基底，并进行紫外-臭氧处理以降低基底的表面能；采用旋涂或刮涂方法逐层沉积空穴传输层、全高分子光活性层与电子传输层，或者逐层沉积电子传输层、全高分子光活性层与空穴传输层，最后利用真空热沉积方法沉积金属电极，得到子电池单元，将多个子电池单元串联后制成全高分子活性层室内光伏模组。
8.根据权利要求7所述的全高分子活性层室内光伏模组的制备方法，其特征在于，所述全高分子光活性层的高分子给体与高分子受体材料以1.6：1～1：1.6质量比例共混。
9.根据权利要求7所述的全高分子活性层室内光伏模组的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮与异丙醇；所述紫外-臭氧处理时间为5～60min。
10.一种权利要求1-6任意一项所述的全高分子活性层室内光伏模组在物联网室内传感器自供电领域的应用。
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|---|---|---|---|
| CN202110534194.3A CN113270550A (zh) | 2021-05-17 | 2021-05-17 | 一种全高分子活性层室内光伏模组及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202110534194.3A CN113270550A (zh) | 2021-05-17 | 2021-05-17 | 一种全高分子活性层室内光伏模组及其制备方法与应用 |
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| CN113270550A true CN113270550A (zh) | 2021-08-17 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20140007925A1 (en) * | 2011-03-08 | 2014-01-09 | University Of South Florida | Inverted organic solar microarray for applications in microelectromechanical systems |
| WO2018174467A1 (ko) * | 2017-03-20 | 2018-09-27 | 코오롱인더스트리 주식회사 | 반투명 유기 태양전지 모듈 |
| CN112420928A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-02-26 | 常州大学 | 基于光管理工程的高稳定性半透明全聚合物太阳能电池器件及其制备方法 |
| TW202118108A (zh) * | 2019-10-30 | 2021-05-01 | 行政院原子能委員會核能研究所 | 具有圖案化電極之可透光有機太陽電池模組及其製造方法 |
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2021
- 2021-05-17 CN CN202110534194.3A patent/CN113270550A/zh active Pending
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