有机半导体掺杂在小分子光伏电池中的应用研究

The power conversion efficiency of the small molecular photovoltaic cells (OPVs) had reached 12% this year, which made the small molecular OPVs the most possible OPVs for future commercializations. Compared to the convential bilayer structure, the P-i-N structure has advantages in the enlarged absorption region of the active layer and enlarged effective dissociation interface for excitons, and results in an enhancement of the short circuit current and power conversion efficiency. However, the P-i-N device still has large serial resistance and Ohmic loss due to the high resistance of the P-type and N-type charge -transport layer, which are lack of intrinsic carriers and mismatch with the energy level of the metal electrode. To address this issue, we will explore doped organic semiconductors as the new charge-transport layers for the P-i-N structure in small molecular OPVs. In this project, we will explore: reducing the serial resistance and Ohmic loss by doping organic semiconductors; then enhancing the infrared light absorptions by controlling doping process; designing and fabricating new P-i-N structures of small molecular OPVs with the doped charge-transfer layers to achieve the high power conversion efficiency. This work will futher reduce the Ohmic loss and enhance the infrared light absorption of the charge-transfer layer in the P-i-N structure of small molecular OPVs, and pave way for the future applications.

小分子有机光伏电池的能量转换效率已达到了12%，是目前最具有商业应用前景的有机太阳能电池。而新型P-i-N结构的小分子有机光伏电池，与传统两层小分子有机光伏电池相比，大大增加了光吸收的活性区域和激子分离界面，提高了器件的短路电流和转换效率。但目前所用的P型和N型电荷传输层，由于缺少本征载流子，所以其体电阻较大，另外由于金属界面与有机传输层的能级不匹配，导致器件的欧姆损耗较大。为了解决P-i-N结构中传输层的电阻损耗以及界面高势垒所引起的损耗问题，本项目将通过探索有机半导体材料的掺杂，降低传输层的体电阻和界面损耗；并通过控制有机半导体的掺杂，达到增强有机半导体红外吸收的目的；然后优化有机半导体的掺杂，设计模拟优化器件的结构，制备出高能量转换效率的小分子有机光伏电池。本项目将为研制高能量转换效率的P-i-N结构的小分子有机光伏电池奠定基础。

本项目系统研究掺杂工艺对有机太阳能电池器件的影响。项目研究分成：1）基于有机半导体掺杂工艺的高陷光特性、宽吸收谱的有机薄膜的设计及器件模型的建立；2）利用掺杂工艺，调控有机光活性层及电子提取传输层的光电特性及界面能级; 3）优化器件工艺及结构，制备高性能的串联光伏器件。.本项目中，首先应用超薄光学涂层概念，把整个器件看成是一个透明电极/高吸收活性层/金属的三层结构从而实现在长波的高吸收率。通过实验进一步验证SubPc:C60(1:4 by wt%)作为活性层材料，形成ITO-MoO3(101nm)/Subpc:C60(20-80nm)/Al(100nm) 有机太阳能电池器件,实现了宽光谱范围为480-620 nm的超强吸收率(>90%)。这个模型没有使用任何额外的光学增强膜，利用自身的结构，从而得到宽谱范围的光吸收，因此为后续的超薄结构、超强光吸收的OPVs器件设计提供了一个新的途径及理论基础。 .通过优化掺杂活性层材料p-DTS(FBTTh2)2和PC60BM的比例，得到高空穴传输和小颗粒尺寸的活性层，增加了激子分离界面，当用PC70BM取代 PC60BM 后得到了6.04% 的器件转换效率。 项目进一步研究有机无机杂化掺杂活性层（钙钛矿）， 利用退火工艺控制晶格变化结构从四方晶系转换为立方晶系，制备出较快的迁移率13.5cm2V-1S-1钙钛矿活性层。利用Sn元素对ZnO掺杂制备载流子迁移率达到16.5cm2V-1S-1的电子传输材料ZTO，相较ZnO为电子传输材料的参比器件而言，效率提高了30%。.在器件方面，C60:LiF/Ag/MoO3作为器件的内部连接层被应用到串联结构的有机太阳能电池中，得到使用新型的内部连接层后串联器件的短路电流增加了40 %。其主要原因是由于新的内部连接层降低了活性层与内部连接层的势垒，并且增强了器件的光吸收。利用双功能的缓冲层C60:LiF/BCP进一步增强串联器件中器件单元的光吸收，从而实现了3.04 %的能量转换效率。 .项目顺利完成，取得丰硕成果：培养毕业硕士生14名，形成了一支稳定的青年学术队伍，在国际及国内学术期刊上发表了14篇学术论文，其中13篇SCI 收录，1篇为EI收录；授权国内发明专利6项。项目组参加了21人次国内和国际学术会议。