基于界面激子复合的新型有机太阳能电池

迄今为止，有机太阳能电池(OSC)的研究都认为，激子在界面的拆分是获得自由载流子的唯一途径。申请人在激子界面拆分研究(宋群梁等，PRL 98, 176403(2007))和传统OSC性能优化(以第一作者在APL上发表了4篇学术论文)的基础上，在此提出：激子在界面的复合是OSC中获得自由载流子的一个新途径，即通过两种激子之间的电子和空穴在界面的复合，将这两种激子各自对应的空穴和电子释放出来成为自由载流子。本课题组已经完成了这一具有原始创新性研究的论证工作，并且取得了较好的结果：初步证实了自由载流子可以通过激子界面复合来获得。进一步将通过抑制激子在界面拆分的贡献，利用光谱响应、瞬态光电压等技术来证实界面激子复合产生自由载流子的过程；研究限制该过程的主要因素并制备基于激子界面复合的新型OSC；优化新型OSC的制备参数，掌握OSC的核心技术。该项目具有科学上的原始创新性和实际应用价值。

本项目主要研究目标是研究激子在界面的拆分和复合过程。总体来说项目执行情况良好，基本达到申请目标，还有多项工作正在项目结题后继续开展。项目执行到目前为止已经申请并获得授权发明专利两项，发表标注资助的论文11篇（SCI论文9篇），还有两篇标注资助的论文正在审稿当中。.　　我们设计了一个新的能级结构来抑制界面拆分激子的作用，凸显激子在界面复合产生自由载流子的作用。实验上采用ZnPcF16和C60两种n型材料，实现了界面激子复合产生载流子的设计目标。为了进一步证明我们提出的物理过程的正确性，我们测量了光电流随光强变化的关系。实验结果表明，传统的界面拆分器件光电流与光强的依赖关系确实是小于1的；我们在界面复合器件中首次测量到了器件光电流与光强的依赖关系确实是大于1的。该部分实验结果已经申请了一项中国发明专利，发表了一篇SCI文章。.　　界面复合过程依赖于激子在界面的不受电场控制的动力学过程。利用C60制备的单层有机太阳能电池，我们不但证明了这一假设，还获得了如何进行界面改性，以获得更好器件性能的方法，即采用梯级能级结构的界面改性层。该部分的结果已经申请了一项中国发明专利，发表了两篇SCI论文。.　　　界面复合过程不仅体现在激子与激子的相互作用上，我们的研究还表明，电子-激子在界面的相互作用也可用于产生自由载流子。通过光电流对频率的响应和相位关系，我们证明了传统受体-给体界面同时存在激子的拆分和电子-激子相互作用。该部分工作已经整理成文投稿。.　　其它相关工作包括研究了有机太阳能电池的衰减机理和有机太阳能电池中的磁阻效应。我们分别提出了对缺陷态不同的认识和对正磁阻的不同解释。该部分工作已经发表一篇SCI，投稿一篇。.　　我们发明的界面复合产生自由载流子的新型有机太阳能电池对认识有机半导体的界面物理过程有着很重要的意义。进一步的研究正在开展两类P型材料之间的界面复合效应产生光电流的研究。单层太阳能电池的研究可以进一步开展全固态敏化电池的研究。.　　通过本项目的支持，培养了两位博士研究生和四位硕士研究生。在本项目的工作基础和支持下，项目负责人进行了教育部新世纪优秀人才计划的申请并获得支持。项目负责人完成了主持完成了国际、国内的实验室访问交流达10人次。