曲面异质结有机太阳电池研究

Organic solar cells are good alternatives for the conventional solar cells due to their potentially low manufacturing cost, light weight and ease of processing. There are several factors limit further improvement of solar cell efficiency, such as poor light absorption, exciton separation and charge transport. In order to improve these factors for more reliable applications, we design a flexure heterojunction structure solar cell. The flexural metal surface will be fabricated using size controlled monodispersed nanoparticles. The surface light trapping effect, which is affected by the morphology and size of the flexural surface will be investigated and optimized by adjusting the size and distance of nanoparticles. The organic semiconductor, P3HT/PCBM or PTB7/PC71BM will be transferred onto the top of the flexural metal surface to form nanoscale flexure heterojunction. We will investigate the properties of the flexure heterojunction interface. The big interface with low defect density will be obtained. We will investigate the built in field distribution of flexure heterojunction. The ordered built in field will be formed by introducing all covered novel transparent electrode. Based on the mechanism of improving exiton separation and carrier transmission efficiency in flexure heterojunction, the high efficiency thin film organic solar cells will be fabricated.

摘要：有机太阳电池相对于传统太阳电池具有制备成本低、质量轻和制造工艺简单等优势。目前限制此类电池性能进一步提升的主要原因是材料的光吸收效率，激子分离效率和载流子传输效率偏低。针对这些问题，本项目提出曲面异质结的设计方案。利用尺寸可控的单分散纳米颗粒制备凹凸金属曲面，通过调节纳米颗粒大小和间距对曲面形貌、尺寸进行有效控制，研究不同结构的表面陷光效应。在金属曲面表面制备P3HT/PCBM及PTB7/PC71BM双层有机薄膜，形成纳米尺度的曲面异质结。研究曲面异质结的界面特性，获得较大界面面积的同时减少界面缺陷。研究曲面异质结的内建电场分布特点，通过制备全覆盖的新型透明电极构建有序内建电场分布。分析曲面异质结结构中提高激子分离与载流子传输效率的物理过程、机理，研制出高效有机薄膜太阳电池。

有机太阳电池中激子扩散长度和光吸收效率是影响效率的重要因素。本项目设计出了一种曲面型的电池结构。这种结构的电池具有如下优点：1、曲面结构形成的陷光效应能够提高有源层的光吸收效率。2、曲面结构相对于传统的尖锥类陷光结构具有更加光滑的表面，因此不会因为尖锐的棱角而引入缺陷。3、曲面结构可以实现入射光的倾斜入射，从而可以增加光程，这为减薄有源层厚度提供了条件。4、较薄的有源层厚度以及较大的界面面积有利于提高电荷传输与收集效率。. 通过对银薄膜退火制备了单分散的银纳米颗粒，然后再在其表面进行Al/Au沉积，形成了曲面金属薄膜。反射谱表明，厚度15nm的银薄膜能够形成规则的球形颗粒，因此形成的曲面Al/Au膜陷光效果最好。构建了结构为Glass/AgNPs/Al/Au/PFN/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag/ZnS的有机太阳电池。将旋涂转速从800 rpm到1800 rpm范围内进行了调节，获得了不同厚度的有源层，并研究了其对电池性能的影响规律。通过与平面结构电池和ITO衬底电池进行对比研究表明，曲面结构太阳电池能够以较薄的有源层获得较高的光电转换效率，最优薄有源层电池效率达到了7.57%。进一步分析表明，曲面结构电池能够提高器件的电荷传输和收集效率，同时由于采用的是曲面凹凸结构，相对于传统的边缘锐利的减反结构，这种结构电池具有更少的缺陷，因此载流子复合效率更低。同时我们还研究了较大面积的电池效率，结果表明，此电池结构在较大面积的情况下仍然能保持较高的转换效率。. 基于PTB7-Th:PC71BM体系的曲面结构电池效率达到了7.57%，相对于相同条件的平面结构提升了10.5%。基于PBDB-T: ITIC等新型有机材料，我们所制备的平面型有机太阳电池效率已经超过了11%，采用曲面结构以后，电池效率可以提升到12%以上。本项目的相关成果为揭示太阳电池的工作机理，提升转换效率提供了新的思路。基于曲面结构的设计思想很容易被应用到新有机材料体系中，甚至是可以被应用到钙钛矿太阳电池等其他类型电池中。