有机体异质结太阳能电池中电荷分离与复合机制的理论研究

For the organic bulk heterojunction solar cells, the charge separation and recombination on the donor/acceptor interfaces have direct impacts on their power conversion efficiency. However, currently the theories concerning these two electronic processes cannot predict accurately the experimentally determined charge generation efficiencies and the recombination rates. In order to reveal the underlying mechanisms of charge separation and recombination and their impacts on the device efficiency, this project employs the kinetic Monte Carlo method to simulate the dynamic processes of the charge transfer states and the charge carriers on the donor/acceptor interface, and the device model to calculate the device operation parameters under the influence of these processes. Two aspects of problems are mainly studied: 1) For the dissociation of the charge transfer state, how the process of entropy-driven electron escaping from the Coulomb attractive potential of the hole is realized dynamically, in which what kind roles the dimensionality of the donor and acceptor molecules plays; 2) Which recombination mechanism plays the most important role on the reduction of the bimolecular recombination rate compared to the Langevin recombination rate, and how the recombination rate reduction and the disorder effect influence the open circuit voltage. The implementation of project is beneficial for revealing the microscopic working mechanisms which can contribute or undermine the photo-electric conversion efficiency respectively, from which people can find means for improving the device efficiency.

有机体异质结太阳能电池中的给体/受体界面上的电荷分离和复合直接决定了器件的光电转换效率，但现有的关于这两个电子过程的理论所给出的电荷生成效率和复合速率与实验值还有很大偏差。为揭示电荷分离与复合的主导机制和它们对器件工作效率的影响，本项目采用动力学蒙特卡洛方法对给体/受体界面的电荷转移态和载流子的动力学过程进行模拟，并利用器件模型计算由这些微观过程所决定的器件的宏观工作参数，重点关注以下两方面的问题：1)从动力学的角度揭示在电荷转移态的拆分过程中，熵驱动电子和空穴逃离它们之间的库仑吸引势的过程是如何实现的，其中给体或受体分子的空间维度对这一效应有什么影响；2)导致双分子复合速率相对于朗之万复合速率下降的关键机制是什么，这种复合速率的下降和无序效应又会对器件的开路电压有什么影响。本项目的实施有助于揭示有机太阳能电池中分别对效率有贡献和损害作用的微观工作机制，并据此找出提高器件效率的途径。

有机太阳能电池是一类的新型光伏器件，相比于传统的晶硅太阳能电池，它具有轻质可折叠，制备成本低等优点。近年来由于人们在器件结构和制备工艺上的改进，其效率已达到15%，具备广泛的商业化应用前景。为进一步提高器件的效率，稳定性和寿命，人们对它内部的各种光电过程做了深入研究。本项目侧重于从理论上分析探讨有机体异质结太阳能电池的电荷产生和复合机理，主要研究内容及其结果分以下三个方面：(1) 器件在低温下的开路电压损失机理。针对器件在低温下开路电压快速减小的实验结果，用器件模型方法模拟了开路电压的温度依赖关系，发现在室温附近开路电压随温度降低线性增加，但在100 K左右低温下，开路电压迅速衰减，这源于低温下迁移率的降低和双分子复合不足导致的漏电流。本结果对提高开路电压，减小器件的衰减有参考意义；(2) 器件光吸收层给体/受体界面上的能级差对工作效率的影响。通过器件模拟揭示了不同电荷产生机制下界面能级差与开路电压和短路电流的关系，从理论上给出了一个最优化的界面能级差 0.2 eV. 本结果与相关实验符合较好，对设计具有更高内量子效率的给体/受体分子混合层有指导意义；(3) 有机半导体中载流子的变程跳跃机制的温度依赖性及其对器件迁移率的影响。通过动力学蒙特卡洛模拟，发现在变程跳跃机制下，给定材料的无序度，在不同温度区间内流子迁移率随温度的降低呈现负一次方(低温区)和负二次方(高温区)的行为，而两个温度区的过渡点取决于载流子浓度。所得结果可用于器件模拟和迁移率提升。通过本项目的实施，对有机太阳能电池的微观电子过程对宏观性能的影响有了深入的理解，解释了相关的实验现象，据此提出了一些对器件性能改进的意见和方法。