本发明专利技术公开了3D气凝胶喷射打印制备可卷曲式纳米纸基柔性太阳能电池的方法。该方法首先采用离子液体浸泡全纤维素纸，在热压条件下对纤维素纸进行快速部分溶解和再生，制备高透光率和高雾度的纳米纸，纳米纸作为柔性衬底材料并在其表面通过3D气凝胶喷射精密打印太阳能电池各组分包括阳极PFN/Ag NWs，活性层CuPc/C60/PTCBI/BCP，阴极MoO3/Ag/MoO3，各组分厚度通过设置3D打印机参数实现精密控制，制备的纸制柔性太阳能电池表面电极栅线宽度小于10微米，厚度小于20纳米，制备得到具有比传统柔性太阳能电池转换效率高50～70％的柔性有机薄膜太阳能电池。
【技术实现步骤摘要】
3D气凝胶喷射打印制备可卷曲式纳米纸基柔性太阳能电池的方法
本专利技术涉及一种太阳能电池的制备方法，具体涉及一种在兼具高透光率和高雾度的柔性纳米光学纸表面通过3D打印制备柔性纸质太阳能电池的方法；属于新材料及新能源领域。
技术介绍
随着煤炭、石油等传统化石能源的使用，环境压力不断加剧，化石能源储量下降以及现代社会对能源消耗量急剧增大，造成能源成本不断提高，开发更多形式的清洁能源逐渐成为人类生存的迫切需求。然而，目前太阳能电池由于其高成本、较低的光电转化效率以及不透明性，尚未广泛应用。因此目前自太阳能电池的研发热点主要集中在降低制造成本、提高太阳能电池透明度以及优化制备工艺来提高太阳能光电转化效率。目前，研究较多并且工艺技术较为成熟的是硅太阳能电池，包括单晶硅和多晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池光电转换效率最高，但成本高，工艺复杂，环境压力较大。采用有机材料制备太阳能电池，不仅开拓了太阳能电池的原材料范围，还具有制造面积大、简易、柔性、半透明等特点，所用有机材料包括有机小分子和具有良好加工性能的高分子。有机小分子材料和高分子都可以通过溶剂制备成3D打印油墨，采用喷射打印技术层层组装太阳能电池。有机太阳能电池按照结构可以分为三类：肖特基有机电池、双层异质结有机电池和本体异质结有机电池。提升太阳能电池性能的主要途径包括改善电池结构、制备工艺和合成新材料等。通常通过在电极和活性层异质结间插入缓冲层，缓解电极与活性层异质结材料间的能级差，提高电子和空穴的传输，减少电子和空穴的复合来提高光生电流，从而提高电池的光转换效率。在现有的技术中，活性层多采用溶液法，通过旋涂、喷涂和喷墨打印等方法，电极和缓冲层则通过真空蒸镀法制备。经过这些年的发展，从1986年邓青云制备得到光电转换效率1％的有机太阳能电池，2004年上海复旦大学侯晓远(200410089314.X)等通过修饰各层材料制备类似结构的太阳能电池效率达到4.08％，有机太阳能电池的能源转换效率至今已经超过11％。纳米光学纸因其兼具高透光率和高雾度，一方面保证入射光线抵达活性层，另一方面延长了光线在太阳能电池中的传输距离以及降低入射角度对光线的反射，有效提高太阳能电池的光能利用率。传统有机太阳能电池通常在FTO或ITO表面沉积太阳能电池，虽然该导电玻璃具有优异的导电性和良好的光透过率，但是不具备高雾度，难以充分利用光线，并且由于导电玻璃不具备纳米光学纸的柔性，限制了以FTO或ITO为基材的太阳能电池的应用。传统沉积太阳能电池的方法需要旋涂、热蒸镀、退火处理和蚀刻等工艺相互配合，主要是由于各层材料分散性和制备条件不同且在制备过程中无法均匀定点定位沉积在基材表面，工艺相对繁琐，需要切换流程，造成材料浪费和效率较低。通过将导电电极材料、缓冲层和活性层材料制备成油墨，采用具备加热台的3D打印机定点定位打印各层材料解决了真空蒸镀法对环境、设备要求高，旋涂法对材料损耗大，蚀刻处理困难等问题。将3D打印技术、太阳能电池和纳米纸结合制备太阳能电池尤具有广阔前景。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种3D气凝胶喷射打印制备可卷曲式纳米纸基柔性太阳能电池的方法，所述太阳能电池包括透明柔性纸质基底/阴极/活性层/阳极，其中所有电池材料通过3D打印一次成型。本专利技术目的通过如下技术方案实现：1、3D气凝胶喷射打印制备可卷曲式纳米纸基柔性太阳能电池的方法，其特征在于包括如下步骤：1)采用离子液体浸泡全纤维素纸10～30秒，热压30～120秒，对全纤维素纸进行表面部分溶解与孔隙填充，实现厚度方向光折射率的一致性；所述离子液体为咪唑类离子液体或氯化锌溶液；2)部分溶解后的全纤维素纸在无水乙醇中浸泡5～30秒脱除离子液体，溶解的纤维素重新聚集再生，得到再生纤维素纸；3)对再生纤维素纸热压干燥，压力下冷却至室温；4)将步骤3)中干燥后的全纤维素纸重复步骤1)至步骤3)处理多次，得到高透光率和高雾度的纳米纸；5)制备太阳能电池各层级物质分散液：分别配置MoO3、Ag、AgNWs和CuPc的乙醇分散液；分别配置C60和PTCBI的邻二氯苯分散液；配置BCP异丙醇分散液；6)打印阴极：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，在固定于3D打印机样本台上的纳米光学纸表面上依次打印6～15纳米MoO3层、6～20纳米Ag层和6～15纳米MoO3层；每一层形状相同，组成一个阴极块；由多个阴极块纵向和横向间隔布置组成方形阵构成阴极，纳米MoO3层打印后在80～110℃挥发溶剂10～30分钟；纳米Ag层打印后在80～110℃退火10～30分钟；7)打印有效层：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，在纳米光学纸阴极方形阵结构的表面打印30～50纳米CuPc层、30～50纳米C60层、30～50纳米PTCBI层和6纳米BCP层；每一层形状相同，共同组成一个有效层条，由多个有效层条纵向或横向间隔布置形成有效层，有效层的各层打印后分别在80～110℃挥发溶剂10～30分钟；8)打印阳极：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，分别依次在纳米光学纸有效层的表面打印5～20纳米PFN层和6～20纳米AgNWs层；PFN层和AgNWs层形状相同，组成一个阳极块；每一块阳极块都与沿长度方向排布的相邻两块阴极重叠3～5微米；由多个阳极块纵向和横向间隔布置组成方形阵构成阳极；PFN层和AgNWs层打印后分别在80～110℃退火10～30分钟。为进一步实现本专利技术目的，优选地，步骤1)所述的热压是将浸泡后的全纤维素纸夹在聚四氟乙烯薄膜间75～120℃条件下采用平板硫化机加压0.5～2MPa。优选地，步骤1)所述的咪唑类离子液体采用N-乙基咪唑亚磷酸氢盐离子液体；所述氯化锌溶液的浓度为65wt％。优选地，步骤1)所述的全纤维素纸为双圈中速定性滤纸。优选地，步骤3)所述的热压干燥是采用平板硫化机在60～80℃、2～5MPa下对再生纤维素纸热压干燥10～30分钟；步骤3)所述的压力下冷却是在2～5MPa压力下缓慢冷却。优选地，步骤5)所述的MoO3、Ag、AgNWs和CuPc的乙醇分散液的浓度都为0.05wt％～0.2wt％；所述的C60和PTCBI的邻二氯苯分散液的浓度都为0.05wt％～0.2wt％；所述的BCP的异丙醇分散液的浓度为0.05wt％～0.2wt％；所述的层级物质分散液粘度为4～40cp，使用前超声分散30-40分钟。优选地，步骤6)每个阴极块的长、宽和厚度分别是15～30微米、5～10微米和18～50纳米，纵向和横向间隔的距离范围分别是2～5微米和5～10微米。优选地，步骤7)所述的有效层条的长、宽和厚度分别是150～300微米、15～30微米和80～150纳米，纵向或横向间隔的距离范围分别是2～5微米和5～10微米。优选地，步骤8)每个阳极块的长、宽和厚度分别是15～30微米、5～10微米和11～40纳米，纵向和横向间隔的距离范围分别是2～5微米和5～10微米。优选地，步骤6)、步骤7)和步骤8)所述的打印机墨盒为UC-320打印机墨盒；步骤1)中所述重复步骤1)至步骤3)处理多次为重复步骤1)至步骤3)处理2～3次。本专利技术通过离子液体部分溶解技术制备纳米光学纸衬底，其纳米纤维素组分直径为5-10nm，其厚度仅为35微米本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.3D气凝胶喷射打印制备可卷曲式纳米纸基柔性太阳能电池的方法，其特征在于包括如下步骤：1)采用离子液体浸泡全纤维素纸10～30秒，热压30～120秒，对全纤维素纸进行表面部分溶解与孔隙填充，实现厚度方向光折射率的一致性；所述离子液体为咪唑类离子液体或氯化锌溶液；2)部分溶解后的全纤维素纸在无水乙醇中浸泡5～30秒脱除离子液体，溶解的纤维素重新聚集再生，得到再生纤维素纸；3)对再生纤维素纸热压干燥，压力下冷却至室温；4)将步骤3)中干燥后的全纤维素纸重复步骤1)至步骤3)处理多次，得到高透光率和高雾度的纳米纸；5)制备太阳能电池各层级物质分散液：分别配置MoO3、Ag、Ag NWs和CuPc的乙醇分散液；分别配置C60和PTCBI的邻二氯苯分散液；配置BCP异丙醇分散液；6)打印阴极：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，在固定于3D打印机样本台上的纳米光学纸表面上依次打印6～15纳米MoO3层、6～20纳米Ag层和6～15纳米MoO3层；每一层形状相同，组成一个阴极块；由多个阴极块纵向和横向间隔布置组成方形阵构成阴极，纳米MoO3层打印后在80～110℃挥发溶剂10～30分钟；纳米Ag层打印后在80～110℃退火10～30分钟；7)打印有效层：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，在纳米光学纸阴极方形阵结构的表面打印30～50纳米CuPc层、30～50纳米C60层、30～50纳米PTCBI层和6纳米BCP层；每一层形状相同，共同组成一个有效层条，由多个有效层条纵向或横向间隔布置形成有效层，有效层的各层打印后分别在80～110℃挥发溶剂10～30分钟；8)打印阳极：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，分别依次在纳米光学纸有效层的表面打印5～20纳米PFN层和6～20纳米Ag NWs层；PFN层和Ag NWs层形状相同，组成一个阳极块；每一块阳极块都与沿长度方向排布的相邻两块阴极重叠3～5微米；由多个阳极块纵向和横向间隔布置组成方形阵构成阳极；PFN层和Ag NWs层打印后分别在80～110℃退火10～30分钟。...
【技术特征摘要】
1.3D气凝胶喷射打印制备可卷曲式纳米纸基柔性太阳能电池的方法，其特征在于包括如下步骤：1)采用离子液体浸泡全纤维素纸10～30秒，热压30～120秒，对全纤维素纸进行表面部分溶解与孔隙填充，实现厚度方向光折射率的一致性；所述离子液体为咪唑类离子液体或氯化锌溶液；2)部分溶解后的全纤维素纸在无水乙醇中浸泡5～30秒脱除离子液体，溶解的纤维素重新聚集再生，得到再生纤维素纸；3)对再生纤维素纸热压干燥，压力下冷却至室温；4)将步骤3)中干燥后的全纤维素纸重复步骤1)至步骤3)处理多次，得到高透光率和高雾度的纳米纸；5)制备太阳能电池各层级物质分散液：分别配置MoO3、Ag、AgNWs和CuPc的乙醇分散液；分别配置C60和PTCBI的邻二氯苯分散液；配置BCP异丙醇分散液；6)打印阴极：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，在固定于3D打印机样本台上的纳米光学纸表面上依次打印6～15纳米MoO3层、6～20纳米Ag层和6～15纳米MoO3层；每一层形状相同，组成一个阴极块；由多个阴极块纵向和横向间隔布置组成方形阵构成阴极，纳米MoO3层打印后在80～110℃挥发溶剂10～30分钟；纳米Ag层打印后在80～110℃退火10～30分钟；7)打印有效层：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，在纳米光学纸阴极方形阵结构的表面打印30～50纳米CuPc层、30～50纳米C60层、30～50纳米PTCBI层和6纳米BCP层；每一层形状相同，共同组成一个有效层条，由多个有效层条纵向或横向间隔布置形成有效层，有效层的各层打印后分别在80～110℃挥发溶剂10～30分钟；8)打印阳极：将超声分散后的分散液装入打印机墨盒中，分别依次在纳米光学纸有效层的表面打印5～20纳米PFN层和6～20纳米AgNWs层；PFN层和AgNWs层形状相同，组成一个阳极块；每一块阳极块都与沿长度方向排布的相邻两块阴极重叠3～5微米；由多个阳极块纵向和横向间隔布置组成方形阵构成阳极；PFN层和AgNWs层打印后分别在80～110℃退火10～30分钟。2.根据权利要求1所述的3D气凝胶喷射打印制备可卷曲式纳米纸基柔性太阳能电池的方法，其特征在于，步骤1)所述的热压是将浸泡后的全纤维素纸夹在聚四氟乙烯薄膜间75～120℃条件下采用平板硫化机加压0.5～2MPa。3.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘德桃，苏灵峰，林美燕，欧阳豪，李军，祁海松，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44
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