基于钛醇盐与半导体聚合物的全可印刷有机–无机体异质结太阳能电池的形貌调控

本实验的总体目标是利用大体积钛酸酯作为形貌调控型电子受体，制备完全可印刷的、不含富勒烯的体相异质结太阳能电池。该方法有助于解决体相异质结太阳能电池领域中的关键问题，即如何调控有机-无机杂化体相异质结太阳能电池光活性层的相分离结构。该技术的主要优势在于，通过大体积分子抑制自组装过程来调控相分离结构，同时避免了传统溶剂法中存在的溶解度限制问题。

该技术的应用意义在于提高太阳能电池的整体效率，因为电荷分离和电荷转移始终发生在活性层中。因此，该方法可为PFO-DVT电子给体体系提供深入见解。此外，该方法也可应用于P3HT或PTV7等半导体聚合物。

开始实验时，使用玻璃切割刀将一块1.1毫米厚的ITO玻璃基板切割成2厘米×2厘米的正方形。使用数字万用表确定每个正方形基板的导电面。在每个正方形基板的导电面上贴上两条遮蔽胶带，使中心区域露出2毫米×2厘米的面积。

在每个方块暴露的导电区域滴加几滴 1 摩尔的盐酸。静置三分钟，使盐酸在导电层上蚀刻出条纹。然后用棉签擦去盐酸，并移除遮蔽胶带。

将方块放入玻璃容器中，并用去离子水充满容器。将容器置于超声波清洗机的水浴中。以42千赫兹频率运行超声波清洗机15分钟。

然后，将方片分别在丙酮和异丙醇中各清洗15分钟。在干燥空气流下将方片干燥。接着，将干燥的方片在紫外臭氧清洗机中清洗30分钟。

配制前驱体溶液时，将 0.5 毫克 PFO-DBT 和 1.0 毫克选定的钛酸酯溶于 1 毫升氯苯中。用铝箔包裹样品瓶以避光。在 700 转/分钟搅拌条件下，将前驱体混合物加热至 70 摄氏度。

在该温度下搅拌混合物约20分钟。待溶液呈现澄清状态后，使其冷却至室温。将0.5毫克PFO-DBT和1.0毫克60-PCBM溶解于1毫升氯苯中，作为参考标准。

在与前驱体相同的条件下对参比标准品进行加热、搅拌和冷却。为准备旋涂，将前驱体溶液或参比溶液置于热板上，在70摄氏度下搅拌10分钟，搅拌速度为700 RPM。将一片刻蚀的ITO玻璃基底放在陶瓷热板上，在70摄氏度下加热五分钟。

然后，将预热的ITO玻璃片置于旋涂仪真空载台的中心。使用热风枪将该玻璃片重新加热至70摄氏度，随后开启真空泵以固定玻璃片。用1毫升注射器吸取0.5毫升温热的前驱体溶液或对照溶液，并立即将其滴加到玻璃片上。

然后，在空气中以2,000至6,000转/分钟的速度运行旋涂仪60秒，形成厚度为50纳米的薄膜。在避光条件下于室温干燥10分钟。接着，用浸有氯苯的棉签擦去多余的光敏材料。

在相同条件下再次干燥表面。如需分析相分离结构，可在此停止制备，并使用光学显微镜或扫描电子显微镜获取活性光层的图像。要在已涂覆光活性材料的ITO玻璃方片上印刷有机电极，需使用丝网印刷机和50微米厚的金属掩模，在方片表面印刷一个5毫米×20毫米的PDOT-PSS矩形区域。

在避光条件下，于室温空气中干燥电极30分钟。然后，使用金刚石切割器切割一块尺寸为1.5厘米×2.5厘米、厚度为1.2毫米的玻璃基底。用塑料刮刀将环氧树脂涂布在玻璃片上。

将玻璃环氧面朝下放置在样品上，使样品表面的一侧保持暴露。使用丙酮和棉签清洁支撑电极。使用超声波焊台将支撑电极焊接到方块剩余的暴露表面上。

使用太阳光模拟器测量电池的电流-电压特性。对每种待测的钛酸酯以及作为参照的PFO-DBT重复此步骤。采用四种不同的钛酸酯作为电子受体，制备了有机-无机本体异质结太阳能电池。

当前电压特性显著受到醇盐性质的影响，这归因于光敏层相分离结构的差异。使用四异丙氧基钛、乙氧基钛和丁氧基钛的电池，其短路电流密度远高于使用丁氧基聚合物的电池。光敏层的扫描电子显微镜结果显示，乙氧基钛和异丙氧基钛电池具有可接受的相分离结构。

四丁氧基钛材料的电池表现出相对较差的相分离，这归因于丁氧基的体积较大。而四丁氧基钛聚合物更大的空间位阻严重阻碍了理想的相分离，导致光敏层中电荷生成效率低下。每一次技术进步都为有机-无机杂化太阳能电池领域的研究人员开辟了道路，使其能够探索多种材料组合，以构建高效能的光敏层。