基于p-n共嵌聚合物/有机物的太阳能电池研究：材料、器件与模拟

聚合物/有机太阳能电池器件（OPV）由于廉价和可柔性的特点，被认为是解决人类能源危机的途径之一，研究意义重大。目前OPV的效率只有5-6%，需大幅度提高。制约OPV效率进一步提高的科学问题有三：1）如何增强及展宽活性材料的吸收光谱并与太阳能光谱匹配；2）如何降低异质结界面中激子解离过程中的能量损耗；3）如何解决载流子在有机介质中传输效率低的问题。针对上述问题，本项目拟设计开发基于p-n共嵌的聚合物/有机材料并研究其OPV器件性能。发展新型p-n共嵌的光伏活性材料，及新型器件结构，形成自主知识产权。同时，通过器件结构参数、材料特性以及光电转换过程中的各项因素对聚合物/有机太阳能电池性能的影响的研究，建立聚合物/有机太阳能电池的物理模型，创建模拟预测软件。进而指导器件构筑时的材料选取和结构优化，为制备出具有自主知识产权的聚合物/有机太阳能电池提供理论和技术基础。

本课题聚焦于有机太阳能电池材料与器件，通过材料、器件及模拟三个方面的研究，共发表学术论文53余篇，公开专利4项，培养博士研究生3名，硕士研究生4名。项目取得了多方面的研究成果，包括：.（1）基于p-n嵌段共轭有机材料设计与性能研究.通过革新的合成方法成功地高产率地将n片段及p型片段连接在一个分子中，获得了不对称共轭的基于三嗪的p-n嵌段有机共轭分子、基于噻吩及二氮芴酮的p-n嵌段有机共轭分子、含重金属的p-n嵌段有机共轭分子等。已按计划完成。.（2）OPV器件中新型界面修饰材料研究.在平面异质结OPV器件中引入了易于合成，成本低的新型界面修饰材料，获得了器件性能及器件稳定性的提高。对比了采用该界面材料的新型器件和采用传统界面修饰材料的器件的热稳定。同时，在体异质结OPV器件中采用该材料作为阴极修饰层，提高了器件性能。已按计划完成。.（3）MoO3阳极缓冲层对OPV器件热稳定性的影响.研究了经过后退火处理后采用MoO3/Al作为源漏顶接触的OFET器件的稳定性。基于以上工作，研究了MoO3阳极缓冲层对采用CuPc/C60作为活性层的平面异质结OPV器件热稳定性的影响，探讨了MoO3阳极缓冲层提高OPV器件短路电流和填充因子热稳定性的原因。已按计划完成。.（4）ITO电极方阻对OPV器件性能的影响.研究了氧化铟锡（ITO）电极方阻对有机太阳能电池性能的影响。采用不同方阻的ITO作为有机太阳能电池的阳极，探讨了ITO电极方阻对器件电流-电压特性和IPCE特性的影响，从并联电阻和串联电阻，以及器件的光学特性等方面分析了ITO电极方阻对器件性能的影响。已按计划完成。.（5）小分子体异质结OPV器件结构中相分离研究.基于模型分子CuPc/C60, 我们构造了小分子体异质结器件。除了通过优化获得了较高的器件效率，我们还发现了小分子异质结OPV器件中的相分离现象，并说明了器件性能得以提高的机制。虽然在聚合物体异质结中相分离很普遍，但在小分子体系中该现象鲜见报道。.（6）OPV器件结构优化-理论模拟及实验验证.研究了有机薄膜电池光学模拟和电学模拟的数值模型，在此基础上建立OPV器件的光电模拟模型，开发模拟软件。系统地研究了有机活性层内的电磁场分布与器件结构及材料吸收特性的关系，并根据模型优化了器件。将模拟结果与实验结果进行比较验证。已按计划完成。