包含两个相分离薄层的三元有机小分子太阳能电池研究

Bulk heterojunction is the most effective structure for the active layer in organic solar cells. It has been found that the device efficiency may increase significantly by introducing phase segregation in the mixture of donor and acceptor. Another way to improve the performance of organic photovoltaic devices is ternary solar cell, in which three kinds of organic semiconductors with complementary absorption spectrum and suitable energy level are chosen as the components of the active layer. We plan to enhance the efficiency of small molecule solar cells by employing above two methods simultaneously. The aim of this project is to fabricate a novel heterojunction with three kinds of small molecules, e.g., two kinds of donors and one kind of acceptor. Such kind of heterojunction comprises two connecting thin layers, and each layer is a binary donor:acceptor bulk heterojunction. Besides the requirements of absorption spectrum and energy level, the materials are selected particularly to generate a band bending in the desired direction at the interface between two layers, which helps the transporting of charge carriers. Oblique deposition technique is used to initiate the phase segregation inside the bulk heterojunction without external compulsion. We hope that by using this novel heterojunction as the active layer in the photovoltaic device, both optical absorption and charge transport can be enhanced in the thicker active layer due to wider absorption band and less carrier combination loss.

在分子层级上混合给体与受体而构成的本体异质结是有机太阳能电池活性层最有效的结构。研究发现在本体异质结中引入适度相分离会进一步改善器件的性能。采用三元材料体系是提高有机太阳能电池性能的另一重要方法。本课题计划把以上两种方法结合起来，选择吸收光谱互补、能带结构匹配的三元小分子材料体系（如两种给体和一种受体），基于倾斜沉积技术制作新型异质结。这种新型异质结包含两个薄层，其中每个薄层都由一种给体和一种受体组成本体异质结且能自发形成相分离。我们还计划在两个薄层的界面附近有意引入能带弯曲来增加载流子离开界面的内在驱动力。我们期望新型异质结既能实现宽谱光吸收，又可以消除两薄层之间界面对载流子输运的影响，还避免了直接在三元共混体系中形成适度相分离的困难。我们计划基于这种新型异质结来制作有机小分子电池，在较厚的活性层中同时实现更多的光吸收和更少的载流子输运损失，为将来的有机太阳能电池研究提供新思路。

有机小分子太阳能电池通常在镀膜机中用蒸镀法制作，通过精确改变蒸镀参数，可在光活性层中形成厚度精确、界面锐利的多层膜。利用小分子器件的这种特点，可以更为细致准确的调节体异质结（BHJ）光活性层的内部形貌与结构，获得更合理的材料组合设计，为研究有机小分子光伏器件工作机理并提升其性能提供更多的思路。本项目以有机小分子太阳能电池为主要对象，研究了通过改变器件结构提高器件性能的方法，并分析了相对应的工作机理。.迄今为止，有机光伏器件结构一般为p-i-n 结构，i层即BHJ层。我们改变了p-i-n 结构中BHJ（i）和受体层（n）之间的界面，构建了一种新颖的p-i-p-n 结构。我们在BHJ 层后用掠角沉积方式沉积一层极薄的施主层作为第二个p 层，从而产生额外的PHJ（平面异质结）。我们通过这种方法提高了小分子BHJ 光伏器件的开路电压（Voc） 和填充因子（FF）。我们用场发射技术测量了ClAlPc/C60异质结界面的能带情况，发现界面附近出现了能带弯曲，此结果说明ClAlPc/C60异质结界面处发生电荷转移。我们的研究表明，处于平衡态的D/A 界面的特性可用于提高BHJ 有机光伏器件在非平衡态下的性能。.双层三元结构是一种新型三元有机太阳能电池器件结构。这种器件中的三种材料吸收光谱互补且能级成阶梯形，三种材料组成两个直接接触的二元BHJ，每个二元BHJ 中激子产生和解离仍然遵守经典机理，但两个二元BHJ 之间的界面对双层三元器件内部的电荷传输可能有影响。已有的双层三元有机光伏器件无法避免这一问题，而且现有器件模型难以解释此问题。我们利用真空热沉积方法制作了界面精确调控的包含相分离的ZnPc:C60/ClALPc:C60双层三元器件，研究了两个二元BHJ 之间的界面对器件光伏特性的影响。我们发现ZnPc:C60 BHJ层和ClALPc:C60 BHJ层之间存在电子陷阱，严重影响了光生载流子的抽取和输运。我们在ZnPc:C60 BHJ层和ClALPc:C60 BHJ层之间插入C60单分子层，有效减少了nongeminate 复合，进而提高了器件性能。.本项目提出的器件结构均为首次报导，揭示了光活性层内部结构与器件工作机理间的内在关系，扩展了有机太阳能电池器件结构，为未来进一步提高有机太阳能电池性能提供了新思路。