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一种3D打印HBC太阳能电池的制备方法[发明专利]

一、背景技术

(1)随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，可再生能源技术的研究与应用受到广泛关注。太阳能作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大的发展潜力。传统的太阳能电池技术，如硅太阳能电池，虽然已经取得了显著的进展，但其制备工艺复杂、成本较高，且存在资源消耗和环境负担等问题。因此，探索新型太阳能电池技术成为当前研究的热点。

(2)近年来的研究显示，有机太阳能电池（OrganicSolarCells，OSCs）因其低成本、可溶液加工、柔性等优点，受到了广泛关注。然而，有机太阳能电池的能量转换效率普遍较低，这是制约其商业化应用的主要瓶颈。为了提高有机太阳能电池的性能，研究人员尝试了多种策略，包括材料设计、器件结构优化、界面修饰等。

(3)3D打印技术作为一种新兴的制造技术，具有打印速度快、成本较低、能够制造复杂结构等优点，为太阳能电池的制备提供了新的思路。3D打印技术在太阳能电池领域的应用研究逐渐增多，如3D打印太阳能电池组件、电极结构等。通过3D打印技术，可以实现对太阳能电池结构的精确控制，提高电池的效率和稳定性。

在有机太阳能电池领域，3D打印技术已被应用于制造具有特殊结构的电极和集流体，如多孔结构、纳米结构等，这些结构有助于提高电池的导电性、降低电荷传输阻力，从而提高电池的整体性能。此外，3D打印技术还能实现电池组件的定制化设计，满足不同应用场景的需求。

二、发明内容

(1)本发明提供了一种新型的3D打印HBC太阳能电池的制备方法，该方法采用独特的材料组合和打印工艺，显著提高了太阳能电池的能量转换效率。本发明所采用的HBC太阳能电池，其核心材料为聚（3-己基-4-苯基-氮杂环丁烷）-共聚（2,6-二苯基-吡啶-4,4-二异氰酸酯），简称HBC-P3HT:PC61BM，其中HBC-P3HT为聚合物给体层，PC61BM为非富勒烯受体层。通过精确控制打印过程中的温度、压力和速度，成功制备出具有优异性能的太阳能电池。

(2)本发明的方法包括以下步骤：首先，将HBC-P3HT和PC61BM溶解在适当的溶剂中，形成均匀的溶液；然后，利用3D打印技术，将溶液打印成所需的电池结构；接着，通过热处理工艺，使打印出的薄膜固化并形成均匀的薄膜层；最后，进行后处理，包括真空退火和界面修饰等，以进一步提高电池的性能。实验结果表明，采用本发明方法制备的太阳能电池，其能量转换效率可达12.5%，显著高于现有技术的10%左右。

(3)本发明进一步优化了电池的界面结构，通过在聚合物和受体层之间引入界面修饰层，有效提高了电子传输速率和载流子寿命。此外，本发明还通过调节打印参数，如打印速度、溶剂浓度等，实现了电池结构的精确控制。例如，通过降低打印速度，可以减少打印过程中的热应力，从而提高电池的机械强度。此外，通过优化溶剂的选择，可以降低电池的制备成本，并提高电池的稳定性。本发明的方法具有广泛的应用前景，可应用于便携式电子设备、光伏建筑一体化等领域。

三、实施方式

(1)实施本发明的方法首先涉及准备打印溶液。将一定比例的HBC-P3HT和PC61BM溶解于适量的溶剂中，如氯苯，确保溶液的浓度在0.5-2.0mg/mL之间。将溶液在搅拌条件下搅拌至少2小时，直至材料完全溶解，形成均匀的溶液。接着，将溶液通过3D打印头进行打印，打印头温度控制在150-200摄氏度之间，以确保材料在打印过程中保持流动性和粘度。

(2)在打印过程中，使用3D打印设备将溶液打印成所需的电池结构。打印设备包括一个步进电机驱动的打印头，该打印头能够精确控制打印速度和位置。打印过程中，打印头在基底上移动，将溶液沉积成薄膜层。打印完成后，将打印出的薄膜在80-100摄氏度的环境下进行热处理，持续时间为30-60分钟，以促进材料的交联和固化。热处理完成后，将薄膜在真空条件下进行退火，以去除残留溶剂和改善薄膜性能。

(3)后处理步骤包括界面修饰和性能优化。首先，在聚合物层和受体层之间引入一层界面修饰材料，如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）。将界面修饰材料溶解于适当的溶剂中，如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），然后将其打印在聚合物层上。之后，将整个电池结构在室温下干燥，以去除溶剂。最后，对电池进行电性能测试，包括电流-电压（I-V）特性曲线和光响应特性测试，以评估电池的性能。通过调整打印参数和后处理步骤，可以优化电池的能量转换效率和稳定性。

四、实验结果

(1)通过本发明制备的3D打印HBC太阳能电池，经过一系列的实验测试，其能量转换效率达到了12.5%，显著高于传统太阳能电池的10%左右。在测试中，电池在AM1.5G标准光强下的短路电流（Jsc