一种基于PEDOT掺杂的透明电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于PEDOT掺杂的透明电极及其制备方法和应用，属于钙钛矿太阳能电池组件领域。磺酸亚胺金属盐类化合物可以溶于水中，与PH1000或PEDOT4083溶液互溶，不会造成相分离；磺酸亚胺金属盐类化合物在可见光区无吸收，作为添加剂加入时，不会影响PEDOT薄膜的光学性能，故易于制备得到透明电极；磺酸亚胺金属盐类化合物中存在可自由移动的带电离子，对于电荷传输有较强的提升作用，当作为添加剂加入的PEDOT薄膜中时，可以明显改善薄膜的电荷传输性能；制备的透明电极可以在室温下可通过溶液加工方法制备得到，避免了常用的无机金属氧化物透明电极复杂昂贵的加工工艺，同时溶液加工成膜的工艺方法有利于制备柔性器件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于PEDOT掺杂的透明电极及其制备方法和应用
本专利技术属于钙钛矿太阳能电池组件领域，涉及一种基于PEDOT掺杂的透明电极及其制备方法和应用。
技术介绍
钙钛矿太阳能电池的基本结构可称之为“三明治”结构，通常包含以下几个部分：即透明电极、空穴传输层、钙钛矿活性层、电子传输层和金属电极层，如图1所示。目前报道的透明电极包含以下几大类：一，掺杂金属氧化物透明电极，包括ITO(IndiumTinOxide,氧化铟锡)、FTO(氟掺杂氧化锡)、ATO(铝掺杂氧化锡)和AZO(铝掺杂氧化锌)等，加工工艺通常为采用靶材溅射成膜；二，碳材料透明电极，如碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)，加工工艺为先生长高性能的CNT和Graphene，之后分散到溶剂中通过溶液加工成膜；三，金属纳米线、金属纳米网格和超薄金属薄膜透明电极，金属种类包含银、铜、金等，加工工艺包含溶液加工、热蒸镀和溅射工艺等；四，掺杂的导电聚合物，加工工艺通常为溶液加工成膜。其中，ITO透明电极，由于加工工艺较为复杂、加工设备成本较高，以及主要材料铟自身储量有限带来的成本劣势，再加上ITO材料本身的易脆性等诸多因素，在一定程度上限制了钙钛矿电池的大规模应用；基于CNT或Graphene制备的透明电极因材料本身制备成本较高、工艺复杂、量产难度较高等因素限制了其规模化应用；第三，金属纳米线、纳米网格或超薄金属薄膜电极也存在生产成本较高、工艺复杂以及加工设备要求较高等劣势。此外，掺杂的导电聚合物由于具备较高的电导率(～105S/m)和带隙易调控(化学合成、掺杂等手段)，以及可溶液加工等特性，使其在透明电极应用方面具备十分独特的优势。导电聚合物—PEDOT，具有分子结构简单、带隙小，高电导率等特点。PEDOT以其高电导率(>1000S/cm)、氧化状态下良好的热稳定性、透光率高(可见光区透过率～95％，薄膜厚度<30nm)等优点广泛应用于有机薄膜太阳能电池、有机发光二极管、有机场效应晶体管以及电致变色器件等诸多领域。但是，单纯的PEDOT材料的固有特性是不溶(溶解)不熔(融化)，难以加工，故PEDOT的应用通常是采用加入分散剂如PSSA(聚苯乙烯磺酸钠)使得PEDOT分散到水溶液中，得到商用的PEDOT:PSS溶液，这样可以通过溶液加工的方法得到PEDOT:PSS薄膜，因为薄膜中加入了不导电的PSSA材料，所以薄膜的电导率远低于纯的PEDOT薄膜。此外，下文中提到的PEDOT4083以及PH1000均为PEDOT:PSS不同浓度和添加剂(如二甲基亚砜和一些多元醇等)的水溶液，这些商用产品改善了PEDOT的可加工性能，但是也牺牲了PEDOT固有的高导电率。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中，掺杂导电聚合物的方法导致基于其制备的导电薄膜的导电率降低的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于PEDOT掺杂的透明电极及其制备方法和应用。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，包括如下步骤：步骤1)配制前驱体溶液：以PEDOT溶液为溶剂，以磺酰亚胺类金属盐化合物为溶质；步骤2)利用旋涂法、涂布法或印刷法对前驱体溶液进行加工，得到薄膜；步骤3)对薄膜依次进行清洗、退火，得到基于PEDOT掺杂的透明电极。优选地，前驱体溶液的浓度为1～25mg/ml。优选地，PEDOT溶液为PEDOT:PSS4083或PH1000溶液。优选地，旋涂法为匀胶旋涂法；涂布法为线棒涂布法、刮刀涂布法或狭缝挤出式涂布法；印刷法为丝网印刷法、凹版印刷法或凸版印刷法。优选地，步骤2)中，采用旋涂法时，涂膜速度1000-6000rpm/min；采用涂布法时，涂布速度0.02-1m/min，涂布宽度0.2-5厘米。优选地，磺酰亚胺类金属盐化合物为双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂、四(三氟甲磺酰亚胺)锡(Ⅳ)、双(三氟甲烷磺酰亚胺)镍(Ⅱ)、三氟甲烷磺酰亚胺铜、双(三氟甲磺酰亚胺)钙(Ⅱ)和三氟甲磺酰亚胺钠中一种或多种。优选地，退火的温度为110～150℃，时间为15～60min。一种根据所述基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法制备得到的基于PEDOT掺杂的透明电极，基于PEDOT掺杂的透明电极的厚度为30～100nm；基于PEDOT掺杂的透明电极在可见光区的透光率大于80％；基于PEDOT掺杂的透明电极的面电阻小于15欧姆。一种基于PEDOT掺杂的透明电极在钙钛矿太阳能电池中的应用，钙钛矿太阳能电池包括透明电极层、空穴传输层、钙钛矿活性层、电子传输层和金属电极层，透明电极层中设有衬底材料，基于PEDOT掺杂的透明电极作为透明电极层或空穴传输层。优选地，基于PEDOT掺杂的透明电极作为空穴传输层时，透明电极由PEDOT、PTAA、Spiro-OMeTAD或聚(3-己基噻吩)制备而成。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，作为添加剂的磺酸亚胺金属盐类化合物可以溶于水中，与PH1000或PEDOT4083溶液互溶，不会造成相分离；磺酸亚胺金属盐类化合物在可见光区无吸收，作为添加剂加入时，不会影响PEDOT薄膜的光学性能，故易于制备得到透明电极；磺酸亚胺金属盐类化合物中存在可自由移动的带电离子，对于电荷传输有较强的提升作用，当作为添加剂加入的PEDOT薄膜中时，可以明显改善薄膜的电荷传输性能；制备的透明电极可以在室温下可通过溶液加工方法制备得到，避免了常用的无机金属氧化物透明电极复杂昂贵的加工工艺，同时溶液加工成膜的工艺方法有利于制备柔性器件；依据本专利技术制备的透明电极在可见光区的透过率可以与传统的ITO相媲美，同时，在依据本专利技术制备的透明电极上制得的钙钛矿太阳能电池同样表现出较高的电池转换效率。附图说明图1钙钛矿太阳能电池基本结构示意图；图2磺酰亚胺金属盐类化合物分子结构式图；其中，(a)为双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂；(b)为四(三氟甲磺酰亚胺)锡(Ⅳ)；(c)为双(三氟甲烷磺酰亚胺)镍(Ⅱ)；(d)为三氟甲烷磺酰亚胺铜；(e)为双(三氟甲磺酰亚胺)钙(Ⅱ)；(f)为三氟甲磺酰亚胺钠；图3空穴传输层(PEDOT:PSS和PTAA)分子结构式图；其中，(a)为PEDOT；(b)为PTAA；(c)为PSS；图4无空空穴传输层的钙钛矿太阳能电池结构示意图；图5衬底、ITO电极和新型透明电极在可见光区的透过率对比图；图6依据不同实施例制备得到的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压关系曲线图；其中：1-透明电极层；2-空穴传输层；3-钙钛矿活性层；4-电子传输层；5-金属电极层。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：实施例1(参比例)：基于ITO透明电极的钙钛矿太阳能电池制备。步骤1)取2mgPTAA在氮气气氛下溶于1ml甲苯溶剂中，室温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1)配制前驱体溶液：以PEDOT溶液为溶剂，以磺酰亚胺类金属盐化合物为溶质；/n步骤2)利用旋涂法、涂布法或印刷法对前驱体溶液进行加工，得到薄膜；/n步骤3)对薄膜依次进行清洗、退火，得到基于PEDOT掺杂的透明电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)配制前驱体溶液：以PEDOT溶液为溶剂，以磺酰亚胺类金属盐化合物为溶质；
步骤2)利用旋涂法、涂布法或印刷法对前驱体溶液进行加工，得到薄膜；
步骤3)对薄膜依次进行清洗、退火，得到基于PEDOT掺杂的透明电极。


2.根据权利要求1所述的基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，其特征在于，前驱体溶液的浓度为1～25mg/ml。


3.根据权利要求1所述的基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，其特征在于，PEDOT溶液为PEDOT:PSS4083或PH1000溶液。


4.根据权利要求1所述的基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，其特征在于，旋涂法为匀胶旋涂法；
涂布法为线棒涂布法、刮刀涂布法或狭缝挤出式涂布法；
印刷法为丝网印刷法、凹版印刷法或凸版印刷法。


5.根据权利要求1所述的基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，其特征在于，步骤2)中，采用旋涂法时，涂膜速度1000-6000rpm/min；
采用涂布法时，涂布速度0.02-1m/min，涂布宽度0.2-5厘米。


6.根据权利要求1所述的基于PEDOT掺杂的透明电极的制备方法，其特征在于，磺酰亚胺类金属盐化...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄斌，张赟，赵志国，秦校军，肖平，赵东明，邬俊波，李新连，李梦洁，夏渊，熊继光，董超，刘家梁，王百月，王森，张杰，
申请(专利权)人：华能新能源股份有限公司，中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11