基于多酸界面修饰材料的有机光伏器件

Organic photovoltaics (OPVs) represent a transformative solar technology with great potential for extremely high-throughput manufacturing at very low cost, and are made from non-toxic, earth-abundant materials with low energy inputs. They can be served as lightweight, flexible, conformal, and low-cost power sources for various applications. This proposal is aimed at manufacturing organic photovoltaics (OPVs) simply and high-efficiently, with the goal of high-efficiency, stability, long life, low-cost solar cell, around the key scientific problems of polyoxometallate (POM) as interface modification to improve the performance of photovoltaic device, to the main research line of molecular design and synthesis, band structure and device physics, device preparation and optimization, development with independent intellectual property rights of new material system in POM, in-depth research on the internal mechanism to improve the performance of the device, explore new device structure, preparation methods of improving device. This proposal from the innovation of interface material and devices, aimed to develop novel structure, power function, energy level, good solubility POM interface materials, with the key techniques of developing OPVs fabricated by all-solution process at room temperature. our ultimate goal is aimed at the low-cost, high efficiency, long life OPVs device.

有机太阳电池具有质轻，成本低以及可制成柔性大面积器件等突出优点，成为当前太阳能电池领域的研究重点。研究表明，在电极和活性层间插入适当的界面修饰层，能够同时提高器件的开路电压、短路电流、填充因子和能量转化效率。本项目面向简单高效的有机太阳电池制备技术以“高效率、稳定、长寿命、廉价的太阳电池”为目标，围绕“多酸作为界面修饰层对器件光伏性能提高的内在机制”这一关键科学问题，以“分子设计与合成—能带结构与器件物理—器件制备与优化”研究为主线，发展具有自主知识产权的多酸界面材料新体系，深入研究界面层对器件性能提高的内在机制，探索新的器件结构，改善器件的制备工艺。本项目拟从多酸界面材料和器件的创新性出发，开发出结构新颖，高功函、能级适中、溶解性好的界面材料，发展室温溶液法制备有机太阳电池等关键技术，力争在兼价、高效率、长寿命的有机太阳电池器件上取得突破。

近年来，金属卤化钙钛矿因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点，引起了学术界和产业界的广泛关注，具有广阔的发展前景。然而，其工作条件下的稳定性和Pb的毒性问题限制了其商业化化应用。为了同时解决这两大难题，本文选用非铅卤化双钙钛矿Cs2AgBiBr6作为活性层，分别构筑了高稳定性、环境友好的太阳能电池和光电探测器。另外针对Cs2AgBiBr6带隙不理想的问题，提出了高温处理的方式来改善其带隙。本项目的主要内容、结果和科学意义现在以下几个方面：.1. 首次使用水热合成法，合成了5-8mm的Cs2AgBiBr6双钙钛矿单晶，使用DMSO作溶剂，采用传统的一部旋涂法制备了高质量的Cs2AgBiBr6双钙钛矿薄膜。基于该薄膜，构建了第一例基于Cs2AgBiBr6双钙钛矿平板太阳能电池。载流子动力学研究表明，双钙钛矿薄膜载流子扩散长度大于100nm，该长度与含铅钙钛矿相当，为非铅钙钛矿电池的开发提供指导。.2. 针对Cs2AgBiBr6双钙钛矿的带隙问题，开发了使用高温法降低带隙，一次同时，我们观察到明显的热至变色现象。借助变温单晶结构、拉曼等手段，揭示该现象是由于不同温度下键长的变化或浮动引起的。运用第一性原理计算进一步验证键长浮动对带隙有直接影响，同时它还跟自旋轨道耦合效应相关。.3. 基于Cs2AgBiBr6双钙钛矿薄膜，同过引入添加剂改善薄膜形貌，运用界面工程，筛选了以SnO2为电子传输层，TFB (聚(9,9-二辛基芴-co-n-(4-丁基苯基)二苯胺))为空穴传输层，制备了第一例高性能薄膜光电探测器，形貌表征和载流子动力学研究表明，经过改善后的薄膜具有的大的晶粒尺寸，低的缺陷态密度和更长的载流子寿命。通过界面优化，其探测器性能表现为 3.29*1012 Jones的检测限，193 dB的线性动力学范围和17 ns的响应时间。所有的性能参数在目前非铅钙钛矿探测器中是最高的，基于该材料具有良好的环境稳定性，其光电探测器变现出良好的高温探测功能。