包含聚氨基酸电子收集层的有机太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及有机太阳能电池技术领域，具体涉及包含聚氨基酸电子收集层的有机太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

为了应对能源危机，太阳能电池领域近年来发展迅速。其中有机太阳能电池由于具有可溶液加工，可印刷制备大面积器件等优点受到了广泛关注。构成有机太阳能电池的各部件对其工作过程有显著的影响。由于具备较高的电导率，金属材料一直被用作制备有机太阳能电池的反光电极。透明电极一侧，由于需要其在可见光区良好地透过率和较高的电导率，领域内应用最广泛的是掺杂态的氧化铟锡(ito)。然而，如果使用这两种电极与本体异质结活性层直接制备器件，则在活性层与电极的接触界面处会形成较大的接触电阻，造成能量损失。因此，需要将对不同电荷具有选择性的界面材料插入到活性层和电极之间，以方便正负电极对不同的电荷进行选择性的抽取。不仅如此，界面层的插入可有效地避免由于缺陷和针孔引起的漏电，极大地改善了器件的填充因子。

太阳能电池界面层材料的使用必须按照活性层材料的不同而进行调整。此外，为了避免进行繁琐的合成以及提纯，需要尽量使用自然界已有的材料作为界面层材料。并且，为了能够在工业化生产上进行应用，所使用的各层材料需要尽可能的表现出低毒性。在这些先决条件下，如何提高有机太阳能电池的光电转化效率是十分重要的课题。

技术实现要素：

为了改善现有技术存在的上述的缺陷，本发明提供一种制备步骤简单、原材料成本低廉、工艺可控性强的电子收集层制备方法，得到一种具有低毒性、高效率，易制备的有机太阳能电池电子收集层，所述电子收集层可在有机太阳能电池中实现高光电转化效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电子收集层，所述电子收集层包括聚氨基酸。

根据本发明，所述电子收集层可以为太阳能电池电子收集层，例如为有机太阳能电池电子收集层。

根据本发明，所述聚氨基酸可以为聚赖氨酸、聚亮氨酸或其混合物。

根据本发明，所述聚氨基酸的数均分子量可以为1-50万，例如10-40万，如为20万；其分子量分布为1.5-3.0，例如为2.0-2.5，如2.3。

本发明还提供聚氨基酸作为电子收集层的用途，例如太阳能电池电子收集层的用途，如有机太阳能电池电子收集层的用途。

根据本发明，所述聚氨基酸具有上文所述定义。

本发明还提供一种有机太阳能电池，所述太阳能电池包含如上所述电子收集层。

根据本发明，所述有机太阳能电池还包括铝电极、活性层、pedot:pss和导电基底ito。

根据本发明，所述有机太阳能电池中，铝电极、电子收集层、活性层、pedot:pss和导电基底ito依次排布。

根据本发明，所述铝电极的厚度为50-150nm，例如为80-120nm，如100nm。

根据本发明，所述活性层可以为活性层给体材料与活性层受体材料的组合，例如为ptb7-th：ieico-4f；所述活性层的厚度可以为50-150nm，例如为100-130nm，如120nm。

本发明还提供如上所述有机太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

s1.配制聚氨基酸溶液；

s2.将pedot:pss旋涂在导电基底ito上；

s3.制备活性层；

s4.将步骤s3制备的活性层旋涂于步骤s2中制备得到的pedot:pss上，并进行退火；

s5.将步骤s1得到的聚氨基酸溶液旋涂于步骤s4得到的样品的活性层上；

s6.将步骤s5得到的样品进行蒸镀铝。

根据本发明，步骤s1中，

所述聚氨基酸具有上文所述定义；

所述聚氨基酸溶液可以为由聚氨基酸溶于醇类溶剂中形成的溶液，其浓度为0.1-1.0mg/ml，例如为0.3-0.7mg/ml，如0.5mg/ml；

任选地，所述聚氨基酸溶液中还含有冰醋酸，其用量与所述醇类溶剂的体积比为0.0005-0.005:1，例如0.0025:1；

所述聚氨基酸溶液在使用前优选在惰性气体氛围中搅拌，例如氮气环境下搅拌3-5小时；

根据本发明，步骤s2中，

所述旋涂前可以对导电基底ito进行前处理，所述前处理步骤包括：将导电基底ito使用水(如去离子)、酮类溶剂(如丙酮)，醇类溶剂(如异丙醇)超声清洗，洗涤完毕后置于醇类溶剂中待用；

所述前处理还包括将洗净的导电基底ito使用紫外臭氧处理；

所述旋涂完成后还包括退火处理，例如将旋涂后的材料于100-200℃退火处理，如在165℃退火处理15分钟；

根据本发明，步骤s3中，

所述活性层的制备方法为将活性层给体材料与受体材料溶解于卤代烃类溶剂(如氯苯)中加热处理；

所述活性层给体材料选自有机太阳能电池给体材料，例如聚[4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩-共-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-羧酸酯](poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene-co-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]，即ptb7-th)；所述活性层受体材料选自有机太阳能电池受体材料，例如2,2'-((2z,2'z)-(((4,4,9,9-四(4-己基苯基)-4,9-二氢-s-引达省[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,7-二基)二(4-((2-乙基己基)氧基)噻吩-5,2-二基))二(甲基-丿丨基))二(5,6-二氟-3-氧代-2,3-二氢-1h-茚-2,1-二亚基))二丙二腈

(2,2'-((2z,2'z)-(((4,4,9,9-tetrakis(4-hexylphenyl)-4,9-dihydro-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene-2,7-diyl)bis(4-((2-ethylhexyl)oxy)thiophene-5,2-diyl))bis(methanylylidene))bis(5,6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1h-indene-2,1-diylidene))dimalononitrile，即ieico-4f)；所述活性层给体材料与活性层受体材料的质量比为(0.5-2.0):1.5，例如1:1.5；

所述加热的温度为30-100℃，例如60℃；

根据本发明，步骤s4中，

所述旋涂的角速度可以为200-1800转/分钟，例如1000转/分钟；

所述旋涂可以在惰性气体氛围中进行，例如在氮气环境中进行；

所述退火处理的温度可以为100-200℃，例如160℃；

根据本发明，步骤s5中，

所述旋涂的角速度可以为1000-7000转/分钟，例如4000转/分钟；

根据本发明，步骤s6中，

所述蒸镀铝可以在真空蒸镀仓中进行。

有益效果：

1)本发明通过对电子收集层材料进行合理的筛选，细致的优化，得到了一种性能优良、成本低廉、无毒性的聚氨基酸电子收集层材料。

2)将所述聚氨基酸电子收集层用于有机太阳能电池中，可实现其高光电转化效率，例如其活性层与电极的接触界面处不会形成较大的接触电阻(例如不使用聚氨基酸时器件的串联电阻为145.69ω，使用聚氨基酸时器件串联电阻为21.43ω)，且造成能量损失。不仅如此，界面层的插入有效地避免了由于缺陷和针孔引起的漏电，极大地改善了器件的填充因子(例如不使用聚氨基酸时器件串联电阻为53.47％，使用聚氨基酸时器件串联电阻为62.81％)。

3)使用聚氨基酸用作电子收集层，避免了繁琐的合成以及提纯步骤，并且，本发明的制备方法可以用于工业化生产。本发明切中领域关键问题，利于有机太阳能电池的工业化发展。

附图说明

图1为实施例1所得有机太阳能电池器件结构的示意图。

图2为实施例2中有机太阳能电池的伏安特性曲线图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

(1)将聚氨基酸粉末0.5mg、无水甲醇1ml、冰醋酸2.5μl混合，磁力搅拌3h，即得聚氨基酸溶液；

(2)将活性层给体材料ptb7-th1mg与活性层受体材料ieico-4f1.5mg混合，并加入氯苯0.1ml，加热至60摄氏度，磁力搅拌3h，即得活性层溶液；

(3)将透明导电基底ito依次用去离子水、丙酮，异丙醇超声清洗10分钟，置于异丙醇中待用；

(4)将洗净的透明导电基底ito用紫外臭氧处理15分钟，并用pedot:pss溶液以4000转/分钟的速度旋涂于ito表面，而后进行165摄氏度15分钟的退火得到基片；

(5)将步骤(4)所得的基片冷却，转移至充满氮气的手套箱中，使用(2)中所得溶液以1000转/分钟的角速度旋涂于基片表面，并进行160摄氏度10分钟的退火；

(6)将(1)中所得溶液以4000转/分钟的角速度旋涂于(5)中所得基片的表面；

(7)将(6)中所得基片置于真空蒸镀仓中，蒸镀铝，得到有机太阳能电池。所述有机太阳能电池中，铝的厚度经检测为100nm。

所述有机太阳能电池的结构示意图如图1所示。

实施例2

将实施例1所得的有机太阳能电池进行伏安特性曲线测试。测试结果如图2和表1所示。

表1：有机太阳能电池的光伏性能

由表1中数据可知，使用聚氨基酸作为电子收集层的器件能够表现出更高的短路电流和填充因子，进而显示出较高的光伏效率。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。