一种掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法及其应用，引入了一种新的适合于PCBM的导电蒽化物摻杂，ABMG具有良好的导电性，因此其在PCBM里的混合浓度可以达到10%‑15%而不降低PCBM的电子传输性能，混合了ABMG之后的PCBM成膜也更为平整、覆盖更为完全。本发明专利技术通过在传统电子传输层材料PCBM中混入成膜性好、导电性好的摻氟蒽化物ABMG，得到了高度平整、覆盖完全的电子传输层薄膜。同时将这种薄膜技术应用到钙钛矿太阳能电池上，使得太阳能电池的电压、填充因子和转化效率都得到提高，多批太阳能电池的效率均一性和可重复性也得到提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能
，特别涉及一种掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法及其应用。
技术介绍
太阳能电池，也叫光伏电池，是一种光电转换器件，利用半导体的光伏效应将太阳能转化为电能。据全球装机量来看，太阳能发电已经成为除水能和风能之外第三种最重要的可再生能源。现阶段商业化的太阳能电池结构都是围绕着P-N结来实现，P-N结可以将太阳光引起的电子-空穴对分离，使P-N结两端连接的负载工作。这样，太阳能就转化为了电能。制造成商业化的太阳能电池所用的半导体材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等等。高转化效率、长期的稳定性和低的制造成本是现阶段商业化太阳能电池追求的目标。因此，大量新型材料被开发和研究，以便来替换传统的、较昂贵的太阳能电池材料。现有的电子传输层材料主要分为有机和无机两大类。其中常用的无机材料包括氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO2)等，常用的有机材料主要是富勒烯及其衍生物（包括C60、C70、PC61BM、PC71BM等）。无机材料具有制备简单的特点。但是无机材料的电子传输机理是基于材料内部的缺陷态进行传递，为了提高电子传输的能力，必须尽可能多地在材料中引入缺陷态。这就带来了两方面的困难，一是制备过程中要提高和控制缺陷态的密度，就需要对现有的成熟的制备方法进行较大幅度的改动，与此同时，因为这些缺陷态的本质是金属元素与氧元素的比例低于或高于化学计量比(Stoichiometricratio)，就必须精确控制合成过程中氧的比例。实际的制备过程往往是在溶液状态下进行反应，很难对环境中的氧含量进行精确控制，也就无法实现对缺陷态密度的精确控制，造成所得产物的性质均一性和可重复性不佳；另一方面的困难在于更高密度的缺陷态伴随了更高的电子空穴复合可能性，尤其在传输层和钙钛矿层相接触的界面区域，这种非辐射性复合会随着缺陷态密度的提高而成比例增加，从而直接导致器件电压和光电转换效率的下降。因此，无机电子传输层材料，受其传输机理的影响，在提升自身电子传导性能和提升钙钛矿太阳能电池整体转换效率方面存在着先天的矛盾。有机电子传输材料，主要指富勒烯及其衍生物，它们的传输机理不同于无机材料，在更低的缺陷态密度条件下，其电子迁移率比无机材料提高了1~2个数量级，可以用作钙钛矿太阳能电池更为理想的电子传输材料。普通的富勒烯材料(C60、C70)等几乎不溶于有机溶剂，只能采用物理气相沉积的方法（热蒸镀法）制备成膜供太阳能电池使用。物理气相沉积对设备的要求苛刻，生产成本高，成膜过程耗时也较长。富勒烯衍生物(PCBM)则可以溶解于多种有机溶剂中，利用旋涂、刮涂、狭缝涂布等多种溶液法成膜，制备工艺简单高效。但是在大面积制备的过程中由于表面张力等原因，单纯PCBM薄膜较容易形成表面粗糙、局部覆盖不均匀、孔洞等问题，影响太阳能电池的整体性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法及其应用，在解决PCBM成膜不均匀问题的同时，又不影响PCBM的电子传输特性，本专利技术引入了一种新的适合于PCBM的导电蒽化物摻杂，其全称为摻氟分子玻璃蒽（简称ABMG）。ABMG具有良好的导电性，因此其在PCBM里的混合浓度可以达到10%-15%而不降低PCBM的电子传输性能，混合了ABMG之后的PCBM成膜也更为平整、覆盖更为完全。用这种摻杂了ABMG的PCBM薄膜制备的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和器件性能的均一性也得到提升。本专利技术是这样实现的，提供一种掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法，包括如下步骤：第一步，溶解PCBM（富勒烯衍生物），在25摄氏度室温和标准大气压的条件下，将PCBM粉末按照5~40mg/mL的比例溶解于溶剂U中，60~90摄氏度加热1~6小时，得到PCBM的溶液；第二步，制备PCBM/ABMG混合溶液，将掺杂蒽类有机化合物（ABMG）加入到在第一步配得的PCBM溶液中，ABMG：PCBM的质量比为5~30:100，持续加热搅拌，ABMG彻底溶解后得到所需的摻杂了ABMG的混合溶液；第三步，制备含有ABMG的电子传输层薄膜，在任意表面清洁的基底上面，迅速均匀地涂抹第二步得到的ABMG/PCBM混合溶液，生成的薄膜厚度在10~100纳米之间，涂抹的方式包括但不限于旋涂(spin-coating)、刀片刮涂(blade-coating)、棒式涂布(barcoating)、夹缝式挤压型涂布(slot-diecoating)、喷涂(spraycoating)和喷墨印刷(ink-jetprinting)；其中，在第一步骤中的溶剂U是氯苯溶剂、邻二氯苯溶剂、氯仿溶剂或甲苯溶剂中任意一种；在第三步骤中的基底包括但不限于普通玻璃基底、玻璃/ITO基底、玻璃/ITO/过渡层/钙钛矿基底中任意一种。本专利技术还提供了一种如前述的掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法的应用，所述掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法应用在制备钙钛矿太阳能电池的过程中。本专利技术还提供了一种利用如前述的掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括如下步骤：（一）、清洗ITO或FTO玻璃，先将ITO或FTO玻璃放入清洗剂与去离子水体积比为100：1的清洗溶液中采用超声波方式清洗5~20分钟；然后，再用去离子水在超声波中清洗5~20分钟，重复3~4次；接着再用丙酮溶剂在超声波中清洗5~20分钟；最后用异丙醇（IPA）溶剂在超声波中清洗5~20分钟；清洗完后，用氮气吹干；（二）、在透明导电层上沉积空穴传输层，空穴传输层的沉积材料包括但不限于石墨烯、PEDOT:PSS、PTAA、CuSCN、CuI、MoOx、V2O5、NiO、spiro-OMeTAD，其沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、原子层沉积法、光刻法、化学气相沉积法、丝网印刷法、水热法、电化学沉积法、旋涂(spin-coating)、刀片刮涂(blade-coating)、棒式涂布(barcoating)、夹缝式挤压型涂布(slot-diecoating)、喷涂(spraycoating)、喷墨印刷(ink-jetprinting)；（三）、用涂敷的方式沉积80nm~400nm的BX2预置层，将BX2和无水有机溶剂按照1Mol/L~2Mol/L配成一定浓度的有机溶液，将该有机溶液放置在温度为60℃~200℃的涂敷机上涂敷；待基板干燥后，便制得所需要的预置层；（四）、在预置层上沉积厚度为200nm~1um的钙钛矿薄膜，将AX和无水有机溶剂按照10~200mg/mL配成一定浓度的有机溶剂，将一定量的该有机溶剂迅速涂敷于步骤（三）得到的BX2预置层表面，然后在50~200摄氏度的温度下加热3~60min，得到ABX3钙钛矿层；（五）、在钙钛矿薄膜上涂敷ABMG/PCBM混合溶液，在得到的ABX3钙钛矿层表面迅速涂敷利用如前述的制备ABMG/PCBM混合溶液方法制备的ABMG/PCBM混合溶液，0~30%ABMG的PCBM溶液、PCBM浓度5~40mg/mL，得到厚度在10~100nm之间的电子传输层薄膜；涂抹的方式包括但不限于旋涂(spin-coating)、刀片刮涂(blade-coating)、棒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，溶解PCBM（富勒烯衍生物），在25摄氏度室温和标准大气压的条件下，将PCBM粉末按照5~40mg/mL的比例溶解于溶剂U中，60~90摄氏度加热1~6小时，得到PCBM的溶液；第二步，制备PCBM/ABMG混合溶液，将掺杂蒽类有机化合物（ABMG）加入到在第一步配得的PCBM溶液中，ABMG：PCBM的质量比为5~30:100，持续加热搅拌，ABMG彻底溶解后得到所需的摻杂了ABMG的混合溶液；第三步，制备含有ABMG的电子传输层薄膜，在任意表面清洁的基底上面，迅速均匀地涂抹第二步得到的ABMG/PCBM混合溶液，生成的薄膜厚度在10~100纳米之间，涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂和喷墨印刷；其中，在第一步骤中的溶剂U是氯苯溶剂、邻二氯苯溶剂、氯仿溶剂或甲苯溶剂中任意一种；在第三步骤中的基底包括但不限于普通玻璃基底、玻璃/ITO基底、玻璃/ITO/过渡层/钙钛矿基底中任意一种。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，溶解PCBM（富勒烯衍生物），在25摄氏度室温和标准大气压的条件下，将PCBM粉末按照5~40mg/mL的比例溶解于溶剂U中，60~90摄氏度加热1~6小时，得到PCBM的溶液；第二步，制备PCBM/ABMG混合溶液，将掺杂蒽类有机化合物（ABMG）加入到在第一步配得的PCBM溶液中，ABMG：PCBM的质量比为5~30:100，持续加热搅拌，ABMG彻底溶解后得到所需的摻杂了ABMG的混合溶液；第三步，制备含有ABMG的电子传输层薄膜，在任意表面清洁的基底上面，迅速均匀地涂抹第二步得到的ABMG/PCBM混合溶液，生成的薄膜厚度在10~100纳米之间，涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂和喷墨印刷；其中，在第一步骤中的溶剂U是氯苯溶剂、邻二氯苯溶剂、氯仿溶剂或甲苯溶剂中任意一种；在第三步骤中的基底包括但不限于普通玻璃基底、玻璃/ITO基底、玻璃/ITO/过渡层/钙钛矿基底中任意一种。2.一种如权利要求1所述的掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法的应用，其特征在于，所述掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法应用在制备钙钛矿太阳能电池的过程中。3.一种利用如权利要求1所述的掺杂蒽类有机化合物薄膜的制备方法制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：（一）、清洗ITO或FTO玻璃，先将ITO或FTO玻璃放入清洗剂与去离子水体积比为100：1的清洗溶液中采用超声波方式清洗5~20分钟；然后，再用去离子水在超声波中清洗5~20分钟，重复3~4次；接着再用丙酮溶剂在超声波中清洗5~20分钟；最后用异丙醇溶剂在超声波中清洗5~20分钟；清洗完后，用氮气吹干；（二）、在透明导电层上沉积空穴传输层，空穴传输层的沉积材料包括但不限于石墨烯、PEDOT:PSS、PTAA、CuSCN、CuI、MoOx、V2O5、NiO、spiro-OMeTAD，其沉积方法包括但不限于真空蒸发法、电子束蒸发法、磁控溅射法、原子层沉积法、光刻法、化学气相沉积法、丝网印刷法、水热法、电化学沉积法、旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂、喷墨印刷；（三）、用涂敷的方式沉积80nm~400nm的BX2预置层，将BX2和无水有机溶剂按照1Mol/L~2Mol/L配成一定浓度的有机溶液，将该有机溶液放置在温度为60℃~200℃的涂敷机上涂敷；待基板干燥后，便制得所需要的预置层；（四）、在预置层上沉积厚度为200nm~1um的钙钛矿薄膜，将AX和无水有机溶剂按照10~200mg/mL配成一定浓度的有机溶剂，将一定量的该有机溶剂迅速涂敷于步骤（三）得到的BX2预置层表面，然后在50~200摄氏度的温度下加热3~60min，得到ABX3钙钛矿层；（五）、在钙钛矿薄膜上涂敷ABMG/PCBM混合溶液，在得到的ABX3钙钛矿层表面迅速涂敷利用如权利要求1所述的制备ABMG/PCBM混合溶液方法制备的ABMG/PCBM混合溶液，0~30%ABMG的PCBM溶液、PCBM浓度5~40mg/mL，得到厚度在10~100nm之间的电子传输层薄膜；涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夹缝式挤压型涂布、喷涂、喷墨印刷；（六）、利用热蒸发法在含有ABMG的电子传输层薄膜上沉积金属背电极；其中，在ABX3结构中，A为胺基、脒基或者碱族中的至少一种，B为铅、锡、钨、铜、锌、镓、锗、砷、硒、铑、钯、银、镉、铟、锑、锇、铱、铂、金、汞、铊、铋、钋中至少一种的阳离子，X为碘、溴、氯、砹中的至少一种的阴离子；无水有机溶剂为γ-丁内酯、二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的任意一种。4.如权利要求3所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）、清洗ITO或FTO玻璃，先将ITO或FTO玻璃放入清洗剂与去离子水体积比为100：1的清洗溶液中采用超声波方式清洗20分钟；然后，再用去离子水在超声波中清洗20分钟，重复3次；接着再用丙酮溶剂在超声波中清洗20分钟；最后...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜步一，姚冀众，
申请(专利权)人：杭州纤纳光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33