喷涂型聚合物太阳能电池光敏层垂直分相的微观过程及电荷传输行为研究

Polymer solar cells (PSCs) have received much attention from the field of new energy materials and devices due to their attractive advantages of light weight, flexibility and low cost fabrication. However the photoelectric conversion efficiency is quite low comparing with the theoretical values. One of the most important reasons is the active layer fails to achieve effective vertical phase separation that cause charge loss during charge transport process. To solve this key scientific problem, we plan to use an advanced spray-coating technique to create a concentration gradient in the vertical direction of the active layer, and then continue to improve the phase separation of the donor material and acceptor materials by a polar solvents-spraying technique. Then insertion network structure will format as an efficient carrier transmission channel. Also we plan to analysis donor material and acceptor network motion mechanism, variation law and the contribution to the charge transfer efficiency systematically. Finally establish an effective technique for active layer vertical phase separation by spray-coating, and provide the necessary theoretical basis and practical experience to improve the PCE and stability of PSCs.

聚合物太阳能电池具有成本低、重量轻、柔性化等突出优点，具有广泛的应用前景，是近年来新能源材料与器件的研究热点。但实际光电转换效率较低，与理论值尚有很大差距。其中光敏层未能实现有效的垂直分相，电荷在传输过程中损耗过高是降低器件性能的主要原因之一。针对上述关键科学问题，本项目拟先利用喷涂制备技术实现光敏层给体与受体材料在垂直方向上形成浓度梯度差，再利用极性溶剂喷雾对光敏层进行处理，进一步提高给体和受体的垂直分相，使之各自形成连续穿插的网络结构，构建高效的载流子传输通道。同时系统地分析给体和受体网络在光敏层垂直分相过程中的形成机制和变化规律，及对提高电荷传输效率的贡献，发展出成熟的光敏层垂直分相的喷涂工艺，为最终有效提高聚合物太阳能电池的转换效率和稳定性提供必要的理论基础和实践经验。

本项目设计了一套精密超声波喷涂系统，并基于该系统开展了超声波喷涂制备太阳能电池的研究。通过喷涂工艺、材料界面优化和发展材料合成新技术，器件的性能得到明显改善。通过本项目的执行，掌握了一些重要材料与器件的喷涂制备技术，发展了溶液法制备太阳能电池的共性理论，可为第三代太阳能电池的应用提供解决思路，具体如下：.（1）通过喷涂工艺调节，并利用溶剂工程优化光敏层表面形貌和界面接触，给体和受体材料实现有效、连续的垂直相分离，光电转换效率提升幅度约35%；喷涂制备的PTB7:PCBM薄膜太阳能电池效率达到8.23%，器件性能和成品率显著提升；.（2）通过分阶段喷涂方式进一步强化了光敏层垂直分相结构，利用溶剂工程，解决光敏层内部不连续问题，制备的PBDB-T:ITIC太阳能电池效率从6.96%提升至8.71%；.（3）从光吸收、电荷产生、电荷传输与复合角度优化并设计了光敏层垂直分相结构和成分分布，使得在保证光学吸收的前提下，平衡电子和空穴的传输，PBDB-T:ITIC太阳能电池效率进一步提升至9.06%.（4）建立了喷涂过程中溶剂挥发模型，模拟混合溶剂挥发过程，研究了溶质在马兰戈尼效应影响下的运动及分布规律。可为喷涂型法、喷墨打印等方法制备有机光电器件提供理论和技术指导；.（5）利用低温喷雾热解技术，实现了150℃以下制备出ZnO、MoO3等缓冲层材料，并实现了相关材料和技术在有机聚合物薄膜太阳能电池的应用，为全溶液法制备太阳能电池打下一定基础；.（6）利用超声喷雾热解技术，制备了硫化锑太阳能电池，获得了光电转换效率为3.19%，开路电压达到3.42V，面积为21cm2的大面积太阳能电池技术，表现出了一定实用价值。.本项目共发表SCI收录期刊12篇，其中4篇为项目负责人第一作者，3篇为通讯作者，3篇为联合培养研究生第一作者；申请发明专利共计8项，其中7项获得授权；参加国内、国际学术会议8次，作邀请报告2次；共计培养研究生5人，超额完成了预期研究目标。