有机/无机复合体异质结中电荷定域态的光谱特性研究

Hybrid organic-inorganic heterojunction is a promising material system for solar cell application. So far, such system exhibits much lower power conversion efficiencies as compared to the theoretically predicted value. This is due to the undesirable loss of free carriers during the charge separation and transport process, which follows the charge transfer at the heterojunction interface. The proposed project aims to identify the key parameters that limit the efficiency of charge separation and collection. We plan to use charge modulation spectroscopy (CMS), in combination with photoinduced absorption spectroscopy, to directly interrogate the degree of localization of charge carriers in hybrid heterojunction systems. By using the electric-field-induced approach, we will be able to study the electronic states of electrons and holes without the interference from their counter charges, which is inevitable in photoinduced measurements. We will develop single-component and hybrid heterojunction field-effect transistor structures as the CMS testing configurations, which will enable us to separately probe electrons and holes and to vary their locations from the bulk donor and acceptor phases to their interface. Based on this platform, we will investigate the impacts of film morphology, molecular packing, polarizability of materials and surface states of the inorganic component on the charge localization for different hybrid solar cell systems. The results will provide guidelines for the design of new material systems to enable improved solar cell performance.

有机/无机复合体异质结是一种极具应用前景的太阳能电池体系。然而，它现有的光电转化效率仍明显低于理论预期值。其原因在于复合体异质结体系中，给体/受体界面通过电荷转移产生的可移动载流子未能有效的逃逸界面、转化为可收集载流子。 因此,本项目以找出制约电荷分离、逃逸和收集过程的关键参数为目标，首次提出以电荷调制光谱（CMS）为主，辅以光诱导吸收光谱的方法来直接测量电荷在异质结界面定域化的程度。其特色在于以电诱导办法来有效解决光诱导测量中不同极性电荷之间的互扰问题。其中，单组分和异质结两种场效应晶体管同时用作CMS测试器件的设计方案，将使分别探测电子和空穴在界面和在单种材料内部的性质成为可能。以此为基础，项目将研究材料的形貌、分子的排列、极化率以及无机组分的表面态对太阳能电池内的电荷定域性的影响。本研究结果将对设计、制备新的有机/无机复合体异质结材料体系、进一步提高其太阳能电池的性能提供极大的帮助。

溶液法制备的太阳能电池可以通过低成本的印刷和涂布技术将太阳能器件大面积制造并柔性化，为更大范围地推广太阳能使用提供了极好的机会。在各种溶液法制备的半导体中，有机无机复合半导体因为同时结合了有机部分的柔性与可溶性以及无机框架的优良电特性，极具应用前景。然而，业内对于电学特性（例如电荷定域化）与材料组成和形态之间的基本关联仍没有很好的理解。本项目从材料开发到光谱表征各方面对有机无机复合半导体进行了系统的研究,以解决其中基础科学的问题，并由此提出实现高效率的复合太阳能电池的方案。（1）在材料的开发方面，我们研究了几个有机无机复合系统，包括聚合物/硫化铋（Bi2S3）/ 氧化锌（ZnO）和聚合物/ 硫化铅（PbS）/氧化锌（ZnO） 三元共混物和有机金属卤化物钙钛矿。首先，研究结果表明级联能级设计（例如聚合物/Bi2S3/ZnO）有利于降低聚合物给体和ZnO受体界面的电荷定域、促进电荷分离。在钙钛矿研究中，本课题组率先在业内提出CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿系统中微量氯的作用。而这一材料系统是钙钛矿太阳能电池性能最好的材料系统之一。课题组还成功研发了第一个基于非PbX2（X：卤素或乙酸盐）框架的有机铅卤化物钙钛矿的合成方法。通过设计一个新的前驱体 - HPbI3，我们实现了一个由交换氢和有机阳离子控速的缓慢的钙钛矿反应过程。用这种新方法合成的乙胺铅碘钙钛矿（FAPbI3）具有高结晶度和优良的热稳定性、电荷传输能力强。在论文发表的时期，我们的方法实现了效率最高的FAPbI3太阳能电池。 （2）在光谱分析方面，针对钙钛矿的易极化的特殊性能，我们将电荷调制光谱调整到在电吸收（EA）模式下测量，即电场调制材料的吸收特性。首次实现了用EA光谱定量分析钙钛矿中材料组成与其电荷偶极矩的相关性，并研究了相关机制。在本项目执行过程中，项目负责人独立指导了3名博士生（1名已毕业）和2名博士后（1名已出站，现担任深圳大学讲师）。以通讯作者发表了5篇SCI论文（其中4篇论文被发表在影响因子10以上的期刊），目前共计SCI他引超过110次。通过该项目，不仅开发出高效率太阳能电池材料，同时也解答了部分有机无机半导体和异质结材料中结构与性能的相关性的基础问题。