采用新型光谱技术及高介电复合材料突破有机光伏电池的效率极限

Single-junction organic photovoltaic cells have recently gained promising improvement in power conversion efficiency to 10%. The major breakthrough of this technology is the introduction of organic electronic donor-acceptor heterojunction that can efficiently dissociate the strongly bound photo-generated excitons into free-charges. This technology has become the design rule of both the materials and device structures during the last 30 years. However, on the other hand, the heterojunction which required an energy offset at the donor-acceptor interface severely limits the open-circuit voltage and eventually the device efficiency for further improvement. Therefore, understanding the limitation and developing alternatives for free-charge generation without the heterojunction is a challenging but an extremely important direction for the future development in organic photovoltaics..This proposed research aims to experimentally investigate the limitation of excitonic effect on charge generation process in photovoltaic materials, which is mainly divided into two major tasks: (1) First of all, we will develop a novel highly-sensitive opto-electrical spectroscopy technique to quantitatively investigate the correlation between the charge generation efficiency and the material dielectric properties. This would provide information on the lower limit of the material dielectric constant with negligible excitonic effect. (2) Secondly, based on the results acquired in task (1), we will develop solution processable high-dielectric (high-k) composite organic photovoltaic materials to intentionally reduce the exciton binding energy in existing high-efficiency conjugated low-bandgap polymers. Photovoltaic devices using the high-k composite materials without the heterojunction will also be fabricated to demonstrate the capability of free-charge generation. Therefore, the successful execution of this project would not only bring insight into developing more efficient photovoltaic devices, but more fundamentally the excitonic effect in photo-carrier generation process in general photovoltaic materials.

近年来，单结有机太阳能电池的光电转换效率已达10%，其中，最大的突破是在器件结构中引入电子給体-受体异质结的技术，该技术能促使束缚的光生激子有效分离形成自由载流子。在过去的30年中，该技术已经成为指导材料及器件结构设计的准则。然而，该技术必需的能级差严重影响器件开路电压，进而阻碍其效率的提升。因此，了解限制自由载流子产生的因素，开发无需异质结亦能产生自由载流子的新材料是一项极具挑战性的研究，该研究亦将促进有机太阳能电池朝高效率方向发展。.基于以上挑战，首先，我们将开发一种新型、高灵敏度的光电子谱技术，定量分析载流子生成效率与材料介电特性之间的关系。其次，开发可溶液加工的高介电常数(K) 有机光电复合材料，检测其自由电荷的生成能力。.本项目的成功实施，不仅能够为进一步提高器件效率提供指引，亦能从本质上揭示激子效应对载流子形成的影响。

有机太阳能电池（OPV）因其具备低成本及高光电转换效率（PCE）的潜力而在光伏领域引起了极大的关注。在过去20年的发展中，研究者们一直致力于新型有机光电材料的设计、高效的电荷收集层的开发，以及有机本体异质结薄膜的纳米结构形态控制，目前OPV的PCE已从5％提高到15％以上。但是，与具有相似能带隙的无机光伏材料相比，我们相信OPV若通过进一步改进，其PCE应有很大的空间能够超过20％。众所周知，在OPV中激子解离的能力直接关系到其器件的性能损失。然而，有机光电材料的激子性质和电荷解离之间的相关性仍不清楚，这主要是由于缺乏可定量探测有机光电材料中激子性质的表征技术和方法。因此，我们在此项目的支持下开发了两种光谱技术，即电吸收（EA）光谱和高灵敏的外部量子效率（s-EQE）测量。首先我们选取了不同的有机光电材料，从低效率的OPV材料（例如MEH-PPV）到高效的OPV材料（例如PCE-10）。随后我们使用EA及s-EQE这两种技术研究了上述有机光伏材料的激子性质，包括激子结合能，极化率和偶极矩，进而建立光伏性能与材料性能之间的关联。通过这个项目，我们成功地开发了EA技术手段，并实现了将吸收率的变化灵敏度提高到10-5，将s-EQE的灵敏度提高到10-6％，均为文献中报道的最高灵敏度。更重要的是，通过结合这两种技术，我们能够测量200meV至1eV的一系列聚合物中的激子结合能，这亦是第一次揭示了激子结合能如何取决于分子结构。从科学的角度来看，我们使用EA技术得到了材料中不同激发态的极化率和偶极矩，这一结果表明在今后的OPV材料发展过程中，我们可以通过有效地分子结构设计提高其激子解离效率，进而提高其器件性能，为OPV材料的未来发展提供了宝贵的思路。同时，在EA技术的研究期间，我们还开发了一种新的分析模型，该模型可以从测得的EA光谱中更准确地确定激子性质。此外，我们还将EA及s-EQE这两种技术用于研究某些高介电常数的光伏材料，这为材料优化提供了线索，并最终促进高性能光伏器件的发展。