[发明专利]罗丹明材料在有机太阳能电池中的应用

说明书

本发明将罗丹明材料，例如丁基罗丹明B(BRB)、罗丹明B(RB)、磺酰基罗丹明101(SR101)，以及磺酰基罗丹明B(SRB)，应用于有机太阳能电池的阴极界面修饰层。罗丹明材料价格低廉、毒性微小、原料充足，本身自带双性离子，含有的羧基或磺酸基官能团，能够与铝阴极形成电偶极子，有利于提高器件中光电子的传输和收集效率，使器件效率提高到9％‑10％，并且有利于提高器件稳定性。

技术领域

本发明属于有机太阳能电池领域，具体属于共轭双性离子的罗丹明染料在有机太阳能电池阴极界面的优化应用。

背景技术

随着传统化石能源的日益枯竭，能源问题已成为各国可持续发展的主要瓶颈，新能源的开发和利用早已成为世界各国的研究热点和亟待解决的问题。

太阳能作为一种重要的绿色清洁可持续的环境友好型尤其是取之不尽、用之不竭的能源而备受期待，而电是最普及最方便的能量。因此将太阳能转化为电能一直是科学家研究的热点。

太阳能电池可以把太阳能转化为电能储存并使用，其发展与应用是世界可持续发展与绿色发展的关键技术之一。目前，有以单晶硅多晶硅为代表的第一代太阳能电池是市场上的主流，但高成本，高污染严重影响了更进一步的应用。以非晶硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒为代表的第二代太阳能电池成本只是相对下降，成本仍然较高，而且镓、碲、铟等稀有金属比较稀缺。因而以有机电池、钙钛矿、染料敏化、量子点为代表的第三代太阳能电池因具有更为廉价的成本、可溶液加工、喷墨打印、印刷、可柔性大面积制备等前两代不具备的优点而占据重要地位。其中，有机太阳能电池(OPV)因成本低、质量轻、柔性、工艺简单、材料丰富，以及弱光下响应好等优点而备受关注。

OPV的典型结构包括基底阳极ITO、空穴传输层(又称为阳极界面修饰层)、吸光层，电子传输层(又称为阴极界面修饰层)，以及阴极。其中吸光层用于吸光产生光伏效应；阳极界面修饰层用于传输空穴阻挡电子；阴极界面修饰层用于传输电子阻挡空穴。

虽然OPV成本比前几代低很多，但是目前OPV存在几个问题：(1)效率相对较低，多晶硅的实验室效率为20％左右，而目前采用PBDT-T:ITIC:IT-M混合吸光膜的OPV的报道效率为12％，，合成复杂且条件要求相对苛刻，我们按照此法实际操作得到的效率不到9％；并且OPV的活性层稳定性较低，在大面积制备后效率下降明显。(2)目前实验常用的阴极界面修饰层是钙，但是钙是活泼金属，极易被氧化而降低太阳能电池的效率与寿命。(3)目前高效率OPV器件的无机金属氧化物界面如氧化锌、氧化钛、氧化钼等普遍需要高温热处理或真空蒸镀等，严重影响了大面积制备。

发明内容

针对上述有机太阳能电池的技术现状，本发明创新性地将罗丹明材料用于有机太阳能电池阴极界面修饰层。

目前，罗丹明染料主要作为染色剂或者化妆品辅助材料而应用，有些研究中将其作为荧光探测金属离子，或者进行其固态发光方面的研究。本发明中，将罗丹明染料应用在OPV的阴极界面修饰层，发现：

(1)罗丹明材料因其本身自带双性离子，含有的羧基或磺酸基官能团，能够与阴极，例如铝电极等形成电偶极子，有利于提高器件中光电子的传输和收集效率，进而提高太阳能电池的效率；实验证实，采用罗丹明材料作为OPV的阴极界面修饰层材料，OPV器件的效率能够达到9％-10％；

(2)另外，与钙等材料相比，罗丹明材料本身具有较好的稳定性，因此采用罗丹明材料作为阴极界面修饰层的OPV器件的稳定性大大优于以钙等材料作为阴极界面修饰层的OPV器件的稳定性；

(3)罗丹明染料价格低廉、毒性微小、原料充足，能够降低器件的制备成本。

作为优选，本发明中吸光层材料为PTB7：PC₇₁BM混合膜。