铁电材料调制的新型杂化有机太阳能电池的制备及其光伏效应的研究

Currently, organic photovoltaic (solar) cells (OPVC) have attracted much attention due to their unique optical ， electronic ， low-cost and flexible properties ． However, it is difficult for OPVC to be widely used in practical application in view of their low efficiency. To further increase the efficiency, it is important and indispensable to optimize the structures of organic-photovoltaic materials and devices ． In this subject, we expect to utilize the inorganic ferroelectric (FE) materials BaTiO3 that have good photovoltaic and ferroelectric (polarization) characteristics to reform the configuration of organic light-sensitive layer and carrier-transfer layer in OPVC, and improve the generation, transfer and collection of carriers, and reduce the energy loss caused by the recombination of electrons and holes, consequently obtain the enhanced efficiency in the hybrid FE-OPVC. Understanding and illuminating the effect of ferroelectric materials on power conversion efficiency of organic photovoltaic devices from physical mechnism in this subject, will provide the support of theoretics and technology for the development of new-style high-efficiency organic photovoltaic devices.

有机太阳能电池是当今国内外光伏器件研究的热点之一，具有重要的应用前景，但目前其光电转换效率较低。提高有机半导体对太阳光的吸收、提高激子的分离和迁移，减少激子的复合损失，是提高有机太阳能电池性能的一条重要途径。本项目拟从如下三方面进行：第一，在有机太阳能电池的有机半导体光敏层和载流子传输层中引入无机纳米钛酸钡（BaTiO3）铁电材料，利用其强的自发电极化提供内置电场，促进激子分离，降低电子和空穴的复合；第二、利用其纳米尺寸效应促进光的吸收和载流子的收集率；第三，研究铁电材料的组成、厚度、形貌、不同的掺杂方式和掺杂量等因素对器件光伏性能的影响并探究其作用机理，揭示无机纳米铁电材料独特的微观物理机制，实现可调控的优化电池结构，从而提高有机太阳能电池的光电转换效率。本项目利用铁电材料独特的铁电性质来实现对有机太阳能电池的光伏效应进行有效调控，思路和方法上具有创新和可行性。

目前有机太阳能电池的光电转换效率仍然较低，是制约有机太阳能电池实用化和产业化的一大瓶颈，究其主要原因是有机半导体中载流子的迁移率比较低，扩散距离短，复合比较严重。因此如何有效提高有机半导体对太阳光的吸收、提高激子的分离和迁移，减少激子的复合损失，是提高有机太阳能电池性能的一条重要途径。.本项目的研究内容是针对目前有机太阳能电池效率较低这一瓶颈，利用具有自发极化和光伏效应的无机铁电（Ferroelectric, FE）纳米材料来改善有机太阳能电池中光敏层的有机半导体材料性质，引入无机铁电薄膜层来优化器件结构（组成FE-OPV的杂化器件结构，铁电材料提供内偏置电场）, 从而提高其光生载流子的产生、传输和收集效率，减少电子和空穴的复合，提高其光电转换效率。. 通过本项目的研究，制备了新型无机铁电/有机杂化的太阳能电池，和铁电（FE）-有机（OPV）太阳能电池的原型器件。在有机光敏层中无机铁电纳米材料的掺入，确实能提高光伏器件的短路电路和开路电压，从而提高了其光电转换效率；引入无机铁电薄膜层作为电极的缓冲层，利用强极化的无机铁电材料提供内偏置电场，从而大幅度提升了载流子的迁移率，并获得很好的光伏性能（光电转换效率提高了超60%）。. 本项目的研究完成，证实了通过把铁电材料引入到有机光伏器件中，能有效改善有机光敏层和器件结构，可提高其光生载流子的产生、传输和收集效率，减少由于电子和空穴的复合等造成的能量损耗，从而大大提高有机太阳能电池的光电转换效率。此研究是一个新的研究领域，有望突破有机太阳能电池效率较低这一瓶颈，因此有较好的应用前景。