一种柔性有机太阳能电池基底材料的制备及应用制造技术

本发明专利技术属于柔性有机太阳能电池领域，公开了一种柔性有机太阳能电池基底材料的制备及应用。本发明专利技术选择纤维原料(慢生树种)来制备小直径(20nm)、大长径比(～50)的CNF，成膜后浸渍环氧树脂，利用PDMS压力整饰固化后获得平滑表面(2.15nm)基底膜，然后在上面涂透明阳极材料PEDOT:PSS。利用特殊选用的原料制备的小直径CNF来获取良好透光性以及整饰创造平滑表面；利用它的高的结晶度、极大的长径比和高界面作用来改进环氧树脂的热性能和机械性能，以获取透光性、耐热性和表面平滑度俱佳的柔性OSC基底新材料。

Preparation and Application of a New Flexible Organic Solar Cell Substrate Material

The invention belongs to the field of flexible organic solar cells, and discloses the preparation and application of a novel flexible organic solar cell substrate material. The invention chooses fiber material (slow-growing tree species) to prepare CNFs with small diameter (20nm) and large aspect ratio (~50), impregnates epoxy resin after film formation, and obtains smooth surface (2.15nm) basement film after curing by PDMS pressure finishing, and then coats transparent anode material PEDOT: PSS on it. Small diameter CNF prepared from specially selected raw materials is used to obtain good transmittance and finish to create smooth surface. Its high crystallinity, large aspect ratio and high interfacial interaction are used to improve the thermal and mechanical properties of epoxy resin to obtain new flexible OSC substrate materials with good transmittance, heat resistance and surface smoothness.

【技术实现步骤摘要】
一种新型柔性有机太阳能电池基底材料的制备及应用
本专利技术属于柔性有机太阳能电池(OrganicSolarCell,OSC)领域，特别涉及一种新型柔性有机太阳能电池基底材料的制备及应用。
技术介绍
柔性有机太阳能电池是以柔性薄物为基底，用具有光敏性质的有机物作为光吸收层，通过光伏效应产生电压形成电流，实现太阳能发电。柔性有机太阳能电池OSC可以通过卷对卷印刷生产工艺在柔性基底上制备，质量轻，便携，可以折叠、卷曲，易于大面积生产，且其制备及封装工艺得到了简化，生产成本也随之降低，它的研究及应用有利于缓解全球能源与环境问题，是最有前景的器件之一。在OSC的制作中，柔性基底材料的选取至关重要，基底对有机太阳能电池起支撑和保护作用，是实现柔性的关键。目前可用于有机太阳能电池柔性基底的材料有不锈钢、铝等金属箔和高分子聚合物等，其中聚合物透明性好，质量轻，易于制备，是一种非常有潜力的基底材料，常规的柔性OSC是底透光器件(倒置结构)，要求基底非常平滑，而且透明，耐热性好，有较好的机械性能，从而可以进一步在上面沉积透明阳极材料。常用的聚合物有聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚碳酸酯(PC)等。柔性OSC基底的透光性、耐热性和表面平滑度这三个性能指标非常重要，一般要求对这三个性能是要求必须同时满足。因为只有基底透明性好，才能有效的接收太阳光，光电转换效率PCE才高；另外在其用作柔性OSC基底时，在后续的阳极、活性层和阴极制作退火过程中，当温度高于玻璃化温度Tg时，它会向玻璃态转变，基底变形而导致器件性能不稳定；另外柔性OSC大部分使用时长期暴露在室外，部分地区昼夜温差较大，因此要求基底热膨胀系数CTE低。过高的CTE会使得基底在环境温度变化中，与器件的其它连接层如电极层脱落，从而导致器件损坏寿命短。基底的表面平滑度非常重要，因为OSC是层叠器件，基底的不平会反映到阳极、活性层上面，严重毁导致器件短路而影响寿命。虽然有研究人员针对聚合物的缺陷用无机颗粒等进行了改性，但是透光性、耐热性和表面平滑度还不完善。因此，柔性OSC要大规模化生产，专利技术一种透光性好、耐热性佳、表面平滑而且成本低廉的聚合物非常关键。在常用聚合物中，环氧树脂成本低、透明、物理机械和电绝缘性能优良，固化方便，然而它的缺点是韧性不足、耐热性能不高、常规固化工序也难以制作平滑的表面，因为这些目前还没有人用环氧树脂来做柔性有机太阳能电池OSC的基底。有研究人员在环氧树脂中引入细微的刚性无机粒子来对环氧树脂进行改性，如纳米无机填料二氧化钛、氧化锌、碳酸钙、氧化铝、硅酸盐等，这主要是利用刚性粒子产生的拉伸应力来有效地抑制基体树脂裂纹的扩展，在机械性能方面起增韧作用，对热性能影响不大；而且无机填料的加入也会对透光性和表面性能产生负面影响。虽然有研究人员用纳米纤维素来对环氧树脂来进行改性，也是研究机械性能的较多，而专门针对柔性太阳能电池基底的光学性、热性能和表面性能综合研究的还未见报道。纳米纤维素(Cellulosenanofibrillated,CNF)是通过不同的方法对天然纤维素进行处理，破坏纤维素无定形区保留结晶区，得到的高结晶度的产物，原料来源于自然界，存量巨大。当把植物纤维的尺寸(直径)降低到可见光光波波长400～760nm的1/10时，可见光就不会发生散射而直接通过，因此，选择好原料，控制好植物纤维的形态就能获得透明性的纳米纤维。CNF表面具备大量的活性羟基，具有较大的长径比，较大的比表面积，能够跟聚合物发生良好的界面作用，是一种良好的聚合物增强材料。当控制好纤维形态和分布后，能够与聚合物制备非常平滑的表面；而且也具有较高的结晶度，热稳定性能良好，机械性能优异。因此用控制好形态的CNF来对环氧树脂进行改性，来制备低成本、透光性、耐热性和表面平滑度具柔性太阳能有机电池基底，具有良好的可行性。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种新型柔性有机太阳能电池基底材料的制备方法。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备的柔性有机太阳能电池基底材料。本专利技术再一目的在于提供上述柔性有机太阳能电池基底材料在柔性OSC上的应用。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种新型柔性有机太阳能电池基底材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)CNF(纳米纤维素)的制备：将绝干慢生树种的木浆粉碎，加入到缓冲液中搅拌分散得到浆液，再加入TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基)、NaBr和NaClO，开始反应，同时用碱调节浆液的pH值在10～11，待浆液的颜色消失，pH不再变化时，继续搅拌反应10h～15h，反应结束后，用水抽滤洗涤至pH值为7，再加盐酸溶液酸化至pH值为1，然后用水充分抽滤洗涤掉盐酸至pH为7，经过高压纳米均质后制备成纳米纤维素的悬浮液，在4℃下储存备用；(2)取CNF悬浮液抽滤成膜，并在烘箱中干燥成膜；(3)将环氧树脂AB胶混合并除气，将步骤(2)中干燥后的CNF膜浸渍在配制的环氧树脂中10min以上，取出后放在两个PDMS膜中间并加压固化，即得纳米纤维素/环氧树脂复合膜。步骤(1)中所述的慢生树种优选为柏树、油松、红豆杉中的至少一种；步骤(1)中所述的缓冲液指体积比为3:2的0.1mol/L碳酸钠水溶液和0.1mol/L碳酸氢钠水溶液的混合溶液；步骤(1)中所述的缓冲液的用量满足每1g绝干慢生树种的木浆对应加入50～100mL的缓冲液；步骤(1)中所述的TEMPO、NaBr和NaClO的质量比为0.064:0.4:44；步骤(1)中所述的TEMPO与绝干慢生树种的木浆的用量满足绝干慢生树种的木浆和TEMPO的质量比为1:0.016；步骤(1)中所述的加碱调节浆液的pH是指用2mol/L的氢氧化钠水溶液调节；步骤(1)中所述的用盐酸溶液酸化是指用1mol/L的盐酸溶液酸化；步骤(1)中所述的高压纳米均质是指在90bar压力下进行均质；步骤(2)中所述的干燥是指在30～50℃干燥；步骤(3)中所述的环氧树脂AB胶的比例为A胶和B胶的质量比为2：1；步骤(3)中所述的环氧树脂AB胶中的A胶优选为缩水甘油醚类环氧树脂；B胶优选为脂肪胺固化剂。步骤(3)中所述的PDMS膜优选为表面平滑度小于2nm的PDMS膜。步骤(3)中所述的加压固化是指在0.1MPa下固化4～6h；步骤(1)～(3)中所述的搅拌均是为了原料之间充分的接触，因此可以不用限定搅拌的速度。步骤(1)～(3)中未指明温度的均指在室温下进行，本专利技术中的室温指20℃±5℃。一种由上述方法制备得到的新型柔性有机太阳能电池基底材料，即纳米纤维素/环氧树脂复合膜。上述的新型柔性有机太阳能电池基底材料(纳米纤维素/环氧树脂复合膜)在制作柔性OSC器件中的应用，尤其是在制作柔性OSC阳极基底材料中的应用。一种透明导电的柔性OSC阳极材料，其由上述的新型柔性有机太阳能电池基底材料制备得到，具体包括以下步骤：(1)将基底材料纳米纤维素/环氧树脂复合膜，浸入PEDOT:PSS(聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐)分散液中10～15min后，将复合膜取出，干燥使PEDOT:PSS在复合膜上成膜；(2)配制浓度为3mol/L～3.5mol/L的DBSA(十二烷基苯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型柔性有机太阳能电池基底材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将绝干慢生树种的木浆粉碎，加入到缓冲液中搅拌分散得到浆液，再加入TEMPO、NaBr和NaClO，开始反应，同时用碱调节浆液的pH值在10～11，待浆液的颜色消失，pH不再变化时，继续搅拌反应10h～15h，反应结束后，用水抽滤洗涤至pH值为7，再加盐酸溶液酸化至pH值为1，然后用水充分抽滤洗涤掉盐酸至pH为7，经过高压纳米均质后制备成纳米纤维素的悬浮液，在4℃下储存备用；(2)取CNF悬浮液抽滤成膜，并在烘箱中干燥成膜；(3)将环氧树脂AB胶混合并除气，将步骤(2)中干燥后的CNF膜浸渍在配制的环氧树脂中10min以上，取出后放在两个PDMS膜中间并加压固化，即得纳米纤维素/环氧树脂复合膜。

【技术特征摘要】
1.一种新型柔性有机太阳能电池基底材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将绝干慢生树种的木浆粉碎，加入到缓冲液中搅拌分散得到浆液，再加入TEMPO、NaBr和NaClO，开始反应，同时用碱调节浆液的pH值在10～11，待浆液的颜色消失，pH不再变化时，继续搅拌反应10h～15h，反应结束后，用水抽滤洗涤至pH值为7，再加盐酸溶液酸化至pH值为1，然后用水充分抽滤洗涤掉盐酸至pH为7，经过高压纳米均质后制备成纳米纤维素的悬浮液，在4℃下储存备用；(2)取CNF悬浮液抽滤成膜，并在烘箱中干燥成膜；(3)将环氧树脂AB胶混合并除气，将步骤(2)中干燥后的CNF膜浸渍在配制的环氧树脂中10min以上，取出后放在两个PDMS膜中间并加压固化，即得纳米纤维素/环氧树脂复合膜。2.根据权利要求1所述的新型柔性有机太阳能电池基底材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的慢生树种为柏树、油松、红豆杉中的至少一种；步骤(1)中所述的缓冲液指体积比为3:2的0.1mol/L碳酸钠水溶液和0.1mol/L碳酸氢钠水溶液的混合溶液；步骤(1)中所述的缓冲液的用量满足每1g绝干慢生树种的木浆对应加入50～100mL的缓冲液；步骤(1)中所述的TEMPO、NaBr和NaClO的质量比为0.064:0.4:44；步骤(1)中所述的TEMPO与绝干慢生树种的木浆的用量满足绝干慢生树种的木浆和TEMPO的质量比为1:0.016。3.根据权利要求1所述的新型柔性有机太阳能电池基底材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的加碱调节浆液的pH是指用2mol/L的氢氧化钠水溶液调节；...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶劲松，王瑞平，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44