基于界面工程和器件结构创新实现高效、稳定的聚合物太阳电池的研究

The performance of polymer solar cells (PSCs), which are in stacked thin films architecture in nature, critically rely on the properties of interfaces between distinct materials to collect and extract photo-generated current. Engineering and optimization the interface between the photoactive layer/metal electrodes have demonstrated great potential in the enhancement of device performance of PSCs, in terms of open circuit voltage (VOC), short-circuit current density (JSC), fill factor (FF), and the overall power conversion efficiency (PCE), thus have received enormous attention and research interest. In this proposal, we employ water-alcohol soluble conjugated polymers, metal oxides to tune the contact nature of between the active layer/metal interface in the PSCs, and investigate the effects of interface on the device performance. We also use photoelectron spectroscopy (UPS/XPS) combined with scan probe microscopy (SPM), synchrotron radiation small angle scattering technology to reveal the mechanism on performance improvement of PSCs by this type conjugated polymers as the cathode interlayer. We study the effect on the device interface energy level alignment by this cathode interlayer, the interaction between the active layer and the cathode interlayer, strong dependence of the device performance on the chemical structure of polymer donors using the above methods. We also develop novel inverted type solace cells with high PCE and supreme stability, as well as tandem solar cells based on using water-alcohol soluble conjugated polymers as key components for interconnection, in combination with inorganic nanocrystals as infrared absorber (with signification photoresponse between 1300-1500 nm region). Through this project, we can realize world record high PSCs and make significant contributions to Chinese’s PSCs industry.

聚合物太阳电池光活性层与电极之间的接触界面特性往往直接影响着其主要的性能参数，对其光电转化效率性能起到决定性的作用。电极界面工程和优化也因此成为目前聚合物太阳电池研究的一个热点领域。本项目主要探索利用水/醇溶性的共轭聚合物或者小分子材料，结合金属氧化物半导体等和高功函数金属制备电荷收集层，设计和制备聚合物/无机半导体纳米晶混合型叠层太阳电池器件，将器件的光谱的利用范围拓宽至1300-1500纳米波段，并将深入研究有关新方法和新途径。同时，以光活性层/金属界面为研究对象，深入研究、提出和总结利用水(醇)溶性共轭聚合物调控其界面的电子结构、增强器件诸参数和综合的科学理论和方法。在新型器件的创新方面，我们深入研究界面得到进一步优化的新颖倒置结构器件结构的聚合物太阳电池器件，实现在器件效率和稳定性方面的同步改善。在器件水平上，追赶和超越国际先进水平，为我国有机/聚合物光伏研究及其产业化做出贡献。

聚合物太阳电池光活性层与电极之间的接触界面特性往往直接影响着其主要的性能参数，对其光电转化效率性能起到决定性的作用。电极界面工程和优化也因此成为目前聚合物太阳电池研究的一个热点领域。本项目主要探索利用水/醇溶性的共轭聚合物或者小分子材料，结合金属氧化物半导体等和高功函数金属制备电荷收集层，设计和制备聚合物/无机半导体纳米晶混合型叠层太阳电池器件，将器件的光谱的利用范围拓宽至1300-1500纳米波段，并将深入研究有关新方法和新途径。同时，以光活性层/金属界面为研究对象，深入研究、提出和总结利用水(醇)溶性共轭聚合物调控其界面的电子结构、增强器件诸参数和综合的科学理论和方法。在新型器件的创新方面，我们深入研究界面得到进一步优化的新颖倒置结构器件结构的聚合物太阳电池器件，实现在器件效率和稳定性方面的同步改善。在器件水平上，追赶和超越国际先进水平，为我国有机/聚合物光伏研究及其产业化做出贡献。.主要的研究内容、重要成果及其科学意义简述如下：.为解决制约聚合物太阳电池能量转换效率提高的关键科学问题，本项目从材料和器件优化两方面提出了原创性的新策略，并取得了重大的研究进展。项目负责人发现, 器件光活性层的聚集形态，受体相的纯度、有序度及其带尾态对器件的开路电压有重要影响。通过调控活性层的组分和微纳分相, 实现对带尾态的控制, 在此基础上实现开路电压和器件综合性能的同步提高，在此基础上实现了能量转换效率达到10.6%的单结聚合物太阳电池,是国际上最早报道这一突破的工作之一。该成果引领和推动了该领域研究不断上升到新台阶，为该领域的发展做出了贡献。.