经验案例

微电子打印机制备薄膜太阳能电池教程

发表日期:2020-06-08阅读量:273

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。只要被光照到,瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,photo 光线,voltaics 电力,缩写为PV),简称光伏。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。

 

太阳能电池主要分为四类--硅太阳能电池、柔性钙钛矿电池、燃料敏化太阳能电池、有机太阳能电池。这里,主要介绍下有机太阳能电池。有机太阳能电池,就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料,以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果。相对来说,材料的成本低,可以加工成大面积,合成、表征相对简单,化学结构容易修饰。其结构大致分为四种:传统正置结构、倒置式结构、正置式叠层结构、倒置式叠层结构。其工作原理大致为:电子给体吸收入射光,形成激子;激子扩散到电子给体与电子受体的界面上;之后激子在给/受体的界面上被分离,即发生氧化还原反应;最后分离后的电子和空穴分别被传导到阴极和阳极上从而产生电流。

 
有机薄膜太阳能的制备工艺包括旋涂、刮刀涂布、丝网印刷、喷墨打印等。其中喷墨打印方式为进一步节省成本提供了方案。使用喷墨打印方式制备有机太阳能电池可以使用微电子打印机。通过微电子打印的刮涂功能,将太阳能电池的电子传输层、空穴传输层以及活性层刮涂上基底,并在上方打印电极。这种方法制作出来的太阳能电池方便、快捷。
 

那么如何使用微电子打印机制备太阳能电池呢?

 

(i)OPV的作图

 

打开微电子打印机专用的BitsAssembler软件,进入操作页面。点击Component Design进入器件制作界面,开始器件的制图。

 

进入器件制作界面后,首先要建立打印层,点击“+Add Layer”,Nozzle Options选取Scraping coating,Blade length选择40,输入层名“空穴传输层”,点击OK即完成打印层的创建。使用左下角的工具Scraping blade的图标进行作图,单击图标,左键点击第四象限,进入Scraping blade property 界面,选择合适的起始位置以及刮涂的长度即可得到需要刮涂的图案。接下来建立第二层。同样点击“+Add Layer”,Nozzle Options选取Scraping coating,Blade length选择40,输入层名“活性层”,点击OK即完成打印层的创建。同样使用左下角的工具Scraping blade的图标进行作图,可得到相应的刮涂图案。然后建立第三层。同样点击“+Add Layer”,Nozzle Options选取Scraping coating,Blade length选择40,输入层名“电子传输层”,点击OK即完成打印层的创建。同样使用左下角的工具Scraping blade的图标进行作图,可得到相应的刮涂图案。以同样的方法建立刮涂的第四层“电极层”。最后建立第五层。同样点击“+Add Layer”,Nozzle Options选取Inkjet printing,选取选择BASE-CP12墨水,“Drop spacing”选择25,点击OK即完成打印层的创建。然后使用左下角工具Rectangle进行作图,选中图形并利用Edit Pad进行图形的绘制。绘制完成的图如下所示。

图1. OPV器件图案

 

(ii)OPV的打印

 
将电脑与机器连接,等自检完成,开始器件的制备。
 
第一层的刮涂:点击PrintBoard,选择“空穴传输层”层,单击左下方的标志,选择合适的刮涂速度以及气压(气压20kPa左右,速度10mm/s),点击Save。之后点击“Let’s Print” 开始进行空穴传输层的刮涂。刮涂完成后,120℃加热15min左右。
 
第二层的刮涂:点击PrintBoard,选择“活性层”层,单击左下方的标志,选择合适的刮涂速度以及气压(气压10kPa左右,速度10mm/s),点击Save。之后点击“Let’s Print” 开始活性层的刮涂。刮涂完成后,120℃加热20min左右。
 
第三层的刮涂:点击PrintBoard,选择“电子传输层”层,单击左下方的标志,选择合适的刮涂速度以及气压(气压5kPa左右,速度15mm/s),点击Save。之后点击“Let’s Print” 开始电子传输层墨水的刮涂。刮涂完成后,120℃加热15min左右。
 
第四层的刮涂:点击PrintBoard,选择“电极”层,单击左下方的标志,选择合适的刮涂速度以及气压(气压18kPa左右,速度15mm/s),点击Save。之后点击“Let’s Print”开始墨水的刮涂。刮涂完成后,120℃加热15min左右。
 
第五层的打印:点击PrintBoard,选择“梳状电极层”层,单击Processing下方的标志,选择合适的基底温度(40℃),点击Save。之后点击“Let’s Print” 就可以开始梳状电极层墨水的打印。打印完成后,150℃加热30min左右。
 
使用微电子打印机可以制作出有机薄膜太阳能电池。制作出的效果如下所示。
 
图2. 制作OPV的流程图
 
 
Copyright(c)2020 All Rights Reserved 沪ICP备17010955号-1 沪公网安备31011702004809号