稀土离子掺杂半导体金属氧化物对聚合物太阳电池界面属性的调控

As the unique electronic configuration and optical properties, rare-earth ion doping shows advantages in modifying material’s physicochemical properties, which has been demonstrated by its successful application in photocatalysis and solar cells. And it is now one of the research focus in the field of interface materials. However, the fundamental mechanisms how it improves the interface property is still unclear and the obtained device performance still needs to be promoted. This proposed project is aimed to design and synthesize excellent interface materials and develop new effective method for controlling the interface property by rare-earth ion doping, with the purpose to promote device performance. Series n-type and p-type metal oxide interface materials will be doped with rare-earth ions. The influence of the rare-earth ion’s doping concentration, radius and electronic configuration on material’s optoelectronic properties will be studied, to determine the key factors influencing the doping effect. The mechanisms how the interface chemical structure, morphology and electronic properties influence the device performance will be addressed as well. And through these studies, the fundamental theoretic guidance and experimental support for realizing high interface quality and high device performance by rare-earth ion doping will be accomplished.

稀土元素具有复杂而丰富的能级结构和光谱特性，对材料修饰改性有独特的优势，在提高催化剂的光催化活性和太阳电池的器件性能方面都得到了很好的应用，成为目前光电器件界面材料研究的热点。但是其界面调控的内在机理和器件性能还需要进一步深入研究和提高。本项目旨在设计合成优异的稀土掺杂界面层修饰材料，发展稀土掺杂调控界面属性的有效方法，提高太阳电池器件性能。围绕目标拟系统研究稀土掺杂典型n-型、p-型金属氧化物界面材料，摸索稀土掺杂元素种类、浓度、离子半径、电子构型等因素对材料光、电学特性的影响，找到决定界面修饰质量和影响器件性能的关键材料因素。进一步从稀土掺杂材料化学结构、薄膜微纳凝聚态形貌、薄膜电学属性和器件性能的关系方面阐明稀土离子掺杂修饰界面层的作用机理，为稀土掺杂实现高性能的界面属性提供实验指导和理论依据。

除活性层外，界面对有机太阳能电池性能有着重要影响。理想界面是实现高性能太阳能电池的前提条件。稀土等金属离子具有丰富的能级结构，对材料修饰和电学改性有独特的潜力，在提高太阳能电池性能方面有潜在应用价值。本项目采用湿化学方法，重点研究稀土等金属离子掺杂调控金属氧化物界面属性和对有机太阳能电池性能的影响，发展高效界面和提升电池性能。.围绕目标，系统研究了稀土、Al等离子掺杂ZnO等典型金属氧化物界面，对界面光电学特性和器件性能的影响。主要研究结果包括：1）稀土离子Yb、Er、Tb等低浓度掺杂（0 ~1%），可改善ZnO薄膜形貌、电学属性，一定程度提升器件性能。进一步表征证明0.5%Yb掺杂ZnO提升了器件激子产生速率及电子迁移率，进而提高了光电流密度等参数，实现PBDB-T:IT-M电池平均效率由9.9%提升到10.77%，最高效率11.04%。2）Al掺杂ZnO界面，提高电导、钝化缺陷、降低界面势磊，且厚度不敏感。实现PTB7-Th:PC71BM反向电池效率10.42%（VOC 0.804 V，JSC 17.91 mA/cm2，FF 72.3%），为报道时Top水平。且电池稳定性良好，N2氛围中200天PCE维持82%。实现PET柔性电池效率8.93%，为报道时最高，且具有良好抗弯折稳定性能。3）设计合成无配体AZO纳米晶，采用三氟乙醇正交溶剂成膜，避免了热退火和溶剂破坏，实现正向PTB7-Th:PC71BM有机电池效率10.14%（平均9.87%）。且N2和空气中比PFN、TFE 等界面器件具有更好的稳定性。.本项目对界面材料的设计/改性具有指导和借鉴意义，为新型理想界面构建和高性能有机太阳能电池的制备提供实验指导和理论依据。相关研究结果，在包括Advanced Materials、Advanced Science等期刊上发表论文7篇，申请中国发明专利3项，培养博士毕业生2名，硕士毕业生2名。