[發明專利]羅丹明材料在有機太陽能電池中的應用

在審

• 申請號: 201710159082.8
• 申請日: 2017-03-17
• 公開（公告）號: CN108630812A
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 葛子義;李旺;劉志洋;彭瑞祥;管倩;楊榮娟
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 單英

本發明將羅丹明材料，例如丁基羅丹明B(BRB)、羅丹明B(RB)、磺酰基羅丹明101(SR101)，以及磺酰基羅丹明B(SRB)，應用于有機太陽能電池的陰極界面修飾層。羅丹明材料價格低廉、毒性微小、原料充足，本身自帶雙性離子，含有的羧基或磺酸基官能團，能夠與鋁陰極形成電偶極子，有利于提高器件中光電子的傳輸和收集效率，使器件效率提高到9％?10％，并且有利于提高器件穩定性。

技術領域

本發明屬于有機太陽能電池領域，具體屬于共軛雙性離子的羅丹明染料在有機太陽能電池陰極界面的優化應用。

背景技術

隨著傳統化石能源的日益枯竭，能源問題已成為各國可持續發展的主要瓶頸，新能源的開發和利用早已成為世界各國的研究熱點和亟待解決的問題。

太陽能作為一種重要的綠色清潔可持續的環境友好型尤其是取之不盡、用之不竭的能源而備受期待，而電是最普及最方便的能量。因此將太陽能轉化為電能一直是科學家研究的熱點。

太陽能電池可以把太陽能轉化為電能儲存并使用，其發展與應用是世界可持續發展與綠色發展的關鍵技術之一。目前，有以單晶硅多晶硅為代表的第一代太陽能電池是市場上的主流，但高成本，高污染嚴重影響了更進一步的應用。以非晶硅、砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵硒為代表的第二代太陽能電池成本只是相對下降，成本仍然較高，而且鎵、碲、銦等稀有金屬比較稀缺。因而以有機電池、鈣鈦礦、染料敏化、量子點為代表的第三代太陽能電池因具有更為廉價的成本、可溶液加工、噴墨打印、印刷、可柔性大面積制備等前兩代不具備的優點而占據重要地位。其中，有機太陽能電池(OPV)因成本低、質量輕、柔性、工藝簡單、材料豐富，以及弱光下響應好等優點而備受關注。

OPV的典型結構包括基底陽極ITO、空穴傳輸層(又稱為陽極界面修飾層)、吸光層，電子傳輸層(又稱為陰極界面修飾層)，以及陰極。其中吸光層用于吸光產生光伏效應；陽極界面修飾層用于傳輸空穴阻擋電子；陰極界面修飾層用于傳輸電子阻擋空穴。

雖然OPV成本比前幾代低很多，但是目前OPV存在幾個問題：(1)效率相對較低，多晶硅的實驗室效率為20％左右，而目前采用PBDT-T:ITIC:IT-M混合吸光膜的OPV的報道效率為12％，，合成復雜且條件要求相對苛刻，我們按照此法實際操作得到的效率不到9％；并且OPV的活性層穩定性較低，在大面積制備后效率下降明顯。(2)目前實驗常用的陰極界面修飾層是鈣，但是鈣是活潑金屬，極易被氧化而降低太陽能電池的效率與壽命。(3)目前高效率OPV器件的無機金屬氧化物界面如氧化鋅、氧化鈦、氧化鉬等普遍需要高溫熱處理或真空蒸鍍等，嚴重影響了大面積制備。

發明內容

針對上述有機太陽能電池的技術現狀，本發明創新性地將羅丹明材料用于有機太陽能電池陰極界面修飾層。

目前，羅丹明染料主要作為染色劑或者化妝品輔助材料而應用，有些研究中將其作為熒光探測金屬離子，或者進行其固態發光方面的研究。本發明中，將羅丹明染料應用在OPV的陰極界面修飾層，發現：

(1)羅丹明材料因其本身自帶雙性離子，含有的羧基或磺酸基官能團，能夠與陰極，例如鋁電極等形成電偶極子，有利于提高器件中光電子的傳輸和收集效率，進而提高太陽能電池的效率；實驗證實，采用羅丹明材料作為OPV的陰極界面修飾層材料，OPV器件的效率能夠達到9％-10％；

(2)另外，與鈣等材料相比，羅丹明材料本身具有較好的穩定性，因此采用羅丹明材料作為陰極界面修飾層的OPV器件的穩定性大大優于以鈣等材料作為陰極界面修飾層的OPV器件的穩定性；

(3)羅丹明染料價格低廉、毒性微小、原料充足，能夠降低器件的制備成本。

作為優選，本發明中吸光層材料為PTB7：PC₇₁BM混合膜。