聚合物太阳能电池中电子给/受体界面电荷转移态的研究

Research in polymer solar cells has advanced over recent years. Power conversion efficiency (PCE) of 8% to above 9% are reported based on the development of low band gap polymers and inverted device structure. However, the highest PCEs of polymer solar cells are currently not even close to the Shockley-Queisser limit. In this proposal, by combining the experimental observation and theory analysis, we intend to investigate the charge transfer (CT) state, which is a ground-state formed at the interface of electron donor and acceptor, through the methods of photoluminescence spectra, electroluminescence spectra and fourier-transform photocurrent spectroscopy. Our research target focus on series of newly developed low band gap polymers and inverted device structure. we hope that we can discover the correlation between CT state and device structure, interface modification materials, energy of the polymer exciton, HOMO/LUMO level of D/A materials, VOC and JSC. Through this important intermediate state we can even direct the design of new device structures and high performance materials.The results gained could be useful for understanding the mechanism of photocurrent generation and provide valuable information for improving the efficiencies of polymer solar cells.

近两年来，聚合物太阳能电池的效率不断提高，而其研究热点主要集中在新型窄带隙共轭聚合物的设计研发，以及反向器件结构的应用。尽管如此，聚合物太阳能电池的效率（8-9%）仍远小于理想太阳能电池的细致平衡效率理论极限。本项目拟采用实验与理论相结合的方法，运用光致发光、电致发光、傅立叶转换光电流等光谱实验方法，有目的地检测分析系列新型窄带隙高效率聚合物太阳能电池以及反向结构器件的电荷转移态（CT态）。通过揭示高效率材料及器件的CT态能级变化规律，掌握CT态与反向结构、界面修饰材料、聚合物激发态、电子给/受体材料能级、器件开路电压、短路电流以及效率的关系。希望通过对CT态的研究，探求激子分离、电荷传输等过程制约器件效率的根本原因。并希望以此为理论依据，指导聚合物材料的设计优化以及界面修饰材料的筛选，这对提高聚合物太阳能电池效率具有非常重要的理论与实践意义。

本项目从太阳能电池内部制约光电转换效率的电荷转移态(CT)以及能量损失(Eloss)入手，着重研究活性层与电极之间电荷收集效率的提高，活性层材料形貌的优化等。围绕高效率小分子受体材料的合成、器件制备与表征；不同界面修饰层的反向结构器件的制备与表征、电荷转移态的实验检测及器件能量损失的理论机理研究开展系列工作。主要研究成果体现在以下几个方面：（1）通过对电荷转移态的研究，掌握制约器件效率的原因。（2）共价接枝法修饰ITO阴极：同时提高光电转换效率和器件稳定性。（3）创新性的提出了钙钛矿室温退火的方法，并获得高效的太阳能电池。（4）发展了一些列基于富勒烯衍生物的界面修饰层材料，大大提高器件的光电转化效率和稳定性。在该项目的支持下，我们共发表SCI收录文章15篇，申请专利两件，培养研究生9位（其中4位已经毕业）。研究工作受到国内外同行的普遍关注。