聚合物太阳能电池的制备与光电化学性质研究

近年来，单层膜聚合物太阳能电池的效率已达到5%，是大规模应用绿色、环保、可再生清洁太阳能源的强有力竞争者。本项目关注P3HT/PCBM，P3HT/ZnO(TiO2)、P3HT:PCBM/ZnO(TiO2)基聚合物太阳能电池的光电化学性质，基本目标是(1)发展修饰PCBM的结构与光敏层中引入新材料的方法，调控光敏层微结构，深入研究P3HT/PCBM电池的光电化学性质变化规律与相关机理；(2)在调控光敏层微结构的基础上，深入研究创造有效电极/光敏层间界面对P3HT/PCBM电池稳定性与光电化学性质的影响；(3)制备有序ZnO(TiO2)纳米纤维，选用新材料修饰纳米纤维，研究P3HT/ZnO(TiO2)与P3HT:PCBM/ZnO(TiO2)电池的光电化学性质。通过开展以上三个方面的工作，为提高聚合物太阳能电池的效率与稳定性开辟新途径，从而为研发具有自主知识产权高性能聚合物太阳能电池创造条件。

本项目的研究内容及结果如下：(1)调控活性层的形貌，探索空气中制备性能稳定、高效率P3HT:PCBM基聚合物太阳能电池的方法。(2)以ITO/TiO2/P3HT:PCBM/PEDOT/Ag电池为研究对象，选用CdSe量子点、Sb2S3光敏材料修饰TiO2电荷传导层，研究N-型光敏层的引入对空气中制备P3HT:PCBM基电池光电化学性能与稳定性的影响规律与作用机理。研究发现，CdSe量子点、Sb2S3光敏材料的引入，提高了电池的光吸收、电流密度及外量子转换效率，而对电池的电压和填充因子的影响不大，可提高电池的光电转换效率。载流子传导特性研究显示，光敏层的引入提高活性层界面的电容，促进电荷传导。可见，引入能级匹配的光敏材料来修饰电极与活性层间的界面，使活性层材料与电极界面层间形成阶梯式能级，可在促进电荷传导的同时改善光吸收，提高电池的转换效率，该项工作的开展为得到高性能的聚合物太阳能电池开辟了途径。(3)采用电纺丝法制备ZnO(TiO2)纳米纤维，并选用Sb2S3、CdS修饰纳米纤维，研究光敏材料的引入对电池光电性能及界面载流子传导特性的影响，探讨其变化规律与作用机理。研究发现，CdS修饰ZnO纳米纤维在改善活性层光吸收的同时，可减少纤维表面的缺陷态密度、延长载流子寿命、促进电荷传导，提高电池的光电性能；采用四氢呋喃（THF）预处理TiO2纳米纤维网络以改善纤维间的接触。在此基础上，引入纳米Sb2S3修饰处理后的纤维网络。研究发现，Sb2S3修饰将增大纤维表面的复合率，THF预处理与Sb2S3修饰则可大幅度改善活性层在可见光范围内的光吸收，抑制界面电荷复合率，增大电池的外量子效率，大幅度提高电池的光电转换效率。此外，以SrTiO3修饰的TiO2纳米晶电极为对象，研究纳米晶电极的表面修饰对其表面缺陷态密度及载流子传导特性的影响。结果显示，适当的界面修饰可减小界面的缺陷态密度，抑制复合，促进电荷传导，改善电池的光电性能。通过开展上述3个方面的工作，为研发具有自主知识产权高性能太阳能电池提供了启发，具有一定的实践意义。