基于界面电子-激子相互作用产生自由载流子的新型有机太阳能电池

The study for converting excitons to the free carriers in organic solar cells (OSCs) not only benefits to clarify its physical mechanism, but also good for improving the power conversion efficiency. Up to now, the researchers believe that the excitons disscociation at the donor/acceptor(D/A) interface is the only way to generate free carriers in OSCs. However, CT states, excitons and the free carriers coexist at the D/A interface and might interact with each other, inducing electron-exciton interaction. A new type of photocurrent generation through electron-exciton interaction directly, different from the traditional exciton dissociation method, may be realized in OSCs. This project intends to explore the new type through establishing the electron-exciton interaction system. That is, confirming the new type of free carrier's generation through transient photovoltage and magnetic field effect firstly. And then, the main factors of the new type will be discovered by fabracting the new type OSCs by molecular beam epitaxy. Finally, the optimization of the new type OSCs will be fabricated by changing donor materials or controlling the substrate tempertaure.

有机太阳能电池中自由载流子产生方式的研究，不仅有利于澄清其物理机理，而且也有利于提高器件的光电转化效率。迄今为止，研究人员普遍认为给体/受体界面激子拆分是产生自由载流子的唯一途径。然而在此界面，电荷转移态、激子、电子和空穴等多种形式共存,使得界面电子与激子有可能通过相互作用而直接将激子解离，形成一种新的产生自由载流子方式。本项目拟通过构建界面电子-激子相互作用体系来深入探究这一新的产生自由载流子的方式，以达到制备新型有机太阳能电池的目的。即首先采用瞬态光电压技术和有机磁效应技术确认界面电子-激子相互作用这一新的产生自由载流子的方式；然后，利用分子束外延技术制备出这一新型有机太阳能电池器件，以探索出影响这一新型有机太阳能电池光电转化效率的主要因素；最后，通过更换给体材料、调控有机膜生长时的衬底温度等方式优化这一新型有机太阳能电池，为其应用提供理论支撑。

在有机太阳能电池中对自由载流子产生途径的研究，不仅有利于澄清其背后的物理机理，而且也有助于开发新型的有机太阳能电池器件。一般认为，在有机太阳能电池中激子拆分界面附近共存大量的激子、电荷转移态、自由载流子等，使得载流子的产生途径存在其他的可能性。除此之外，我们还研究了通过降低载流子复合以及提高自由载流子收集效率等方式来优化这一新途径的太阳能电池的性能。本项目基于有机太阳能电池产生自由载流子的新途径的研究并结合磁场这一非接触手段，获得了如下研究成果：（1）通过利用添加剂残留物的方式，证实了载流子复合是有机太阳能电池中限制光电转化效率和降低器件寿命的原因；（2）通过插入阴极缓冲层的方式提高了有机太阳能电池中的自由载流子收集效率，不仅找出了限制界面电子-激子相互作用产生自由载流子的主要影响因素，而且也获得了优化这一新型有机太阳能电池性能的有效方式；（3）在利用磁场这一非接触手段对有机光电器件的电流随磁场变化关系的研究中，确认了有机功能层中“缺陷态”对电流输运及性能的影响；（4）我们还将磁场这一技术手段延伸到了有机发光二极管的磁电阻效应起源的研究中，在同一个体系中获得了分子内超精细相互作用、分子内自旋-轨道耦合以及分子间自旋-轨道耦合对有机磁电阻效应的贡献规律。本项目在执行过程中，共计发表SCI论文4篇，中文核心论文1篇，达到了预期的研究目标。