基于P3HT和PCBM反型结构的体异质结有机太阳能电池研究

高性价比、高效能、长寿命太阳能电池是太阳能利用最核心的问题之一。本项目以基于P3HT和PCBM反型结构的体异质结有机太阳能电池研究为突破，从不同材料能级匹配、电子空穴扩散长度，激子分离和复合、传输机制以及电池器件内部光场分布理论等方面开展有机共混体系异质结光伏太阳能电池工作机理的探索研究，力求在光照下共混体系异质结产生光伏效应的反应机理、提高转换效率方法以及延长电池寿命等方面有所突破，为进一步研制基于有机共混体系的新型体异质结太阳能电池提供理论参考。

随着石油价格高涨和对全球气候变化的关注，光伏太阳能电池作为一种可再生清洁能源越来越引起人们关注。有机聚合物太阳能电池，以有机聚合物材料为活性层，具有材料来源广泛、重量轻、制备简单、可大面积成膜、柔性等优点而成为人们关注热点。目前体异质结结构是聚合物太阳能电池研究中最成功的器件结构。. 在光照下，聚合物异质结太阳能电池的光电转换过程主要包括光活性层吸收光子，产生激子，激子扩散，扩散到界面处的激子发生电荷分离成自由载流子，自由载流子在给体和受体中传输，电极收集等几个步骤。. 课题主要围绕有机/无机薄膜异质结太阳能电池和反型体异质结太阳能电池展开工作。选取不同聚合物材料和使用有机小分子材料，研究材料吸收光谱与电池性能的关系；通过TiO2溶胶中掺杂不同比例的聚乙二醇（PEG），研究TiO2薄膜表面形貌与电池性能的关系；在电极附近蒸镀有机小分子材料，研究不同厚度的阳极缓冲层与电池性能关系。 . 为了拓宽器件吸收光谱以充分利用太阳能，通常有两种途径，分别使用窄带隙有源层材料和采用级联结构。由于太阳照射的光子通量在680nm处具有峰值，人们设计许多窄带隙材料并用于聚合物电池中来俘获更多太阳光，但是窄带隙材料不易合成且非常昂贵。两层或两层以上吸收光谱互补的体异质结级联结构也已被用于提高能量转换效率，但叠层电池中间层的工作机理尚不明确且很难得到高转换效率。为了解决这些问题，我们使用有机小分子材料和聚合物材料制作了一个省略中间连接层的简单级联结构来提高光子吸收。在600到800nm范围内，p型小分子材料PbPc对光具有较宽和较强的吸收，这恰好与P3HT吸收光谱(450-650nm)互补。器件的具体结构为ITO/TiO2/ P3HT:PCBM/PbPc/MoO3/Ag。TiO2为电子选择性层，MoO3用来改善内建电势和空穴收集效率。器件结构中同时存在P3HT:PCBM体异质结和双层异质结PCBM/PbPc，且两个异质结结构是并联的。研究结果如下：短路电流密度为8.61 mA/cm2时，开路电压为0.59V，填充因子为0.608，在AM1.5的全局模拟太阳光100mW/cm2照射下，能量转换效率达3.09%。. 在本基金的资助下，相关研究成果已发表SCI检索文章12篇，EI检索文章1篇，申请发明专利4项，培养多名硕博研究生，全面完成了项目计划书中的各项指标。