用界面修饰调控有机太阳能电池中的激子行为

Exiton actions seriously affect the energy conversion efficiency and stability of organic solar cells. Researches and control on exiton actions to improve organic solar cells performances have scientific significance and important practical value. This project will study the exiton actions including generation, diffusion, dissociation, recombination, energy transfer between exitons and interaction among exitons and carriers in organic solar cells by using experimental methods of transient photovoltage, photoelectron spectroscopy, in situ photoluminescence, combination of photoluminescence and electroluminescence etc. and survey the relationship between exiton actions and device performances. In this project, exiton actions will be regulated and controlled to improve device performances by means of modifications on interfaces of electrode/organic, electron donor/accepter and molecular interfaces in doped systems by heat treatment, buffer insertion and self-assembly monolayer insertion etc. Based on systematical studies, effective references to new solar cells with high efficiency and stability will be provided.

激子行为显著影响有机太阳能电池的能量转换效率和稳定性。深入研究并有效调控有机太阳能电池中的激子行为，从根本上提高电池转换效率和稳定性具有重要的科学意义和应用价值。本项目从有机太阳能电池能量转化中涉及的激子行为入手，用瞬态光电过程、光电子能谱、原位光致发光、光致发光和电致发光结合等实验方法和相应的理论模拟，分别研究激子的产生、扩散、拆分、复合、能量传递、激子与载流子的作用等行为，探索激子行为与器件宏观性能的关系。用热处理、插入缓冲层、植入单分子自组装层等方法，修饰电池的电极/有机界面、电子给体/受体界面、掺杂体系分子界面等，调控激子行为，提升电池能量转换效率和稳定性，为设计和制备高性能有机太阳能电池提供依据和参考。

本项目按照研究计划执行，对有机太阳能电池中的电极/有机界面、有机/有机界面处的激子形成、拆分、扩散、收集等行为进行了研究，通过界面修饰处理，调控电池中的激子行为，为增强电池的稳定性和耐久性提供了实验基础。新增了铜锌锡硫（CZTS）、铜锡硫（CTS）、铋硫氯（BiSCl）纳米半导体材料的研究，金属铝表面的修饰改性研究等内容。本项目基本达到了研究目标。.项目取得的主要成果有：（1）初步总结出太阳能电池的金属/有机、有机/有机界面处激子的行为规律和影响因素。采用瞬态光电压/流的方法研究了NPB/Ag, ITO/NPB, ADN/Alq3等界面的激子产生、拆分和传输行为。结果显示，激子拆分形成的空穴和电子都可能向金属电极转移，这种转移过程可以通过在有机/金属界面插入绝缘层或对金属电极靠近有机材料的表面进行氧化而调控；（2）制备和表征了部分半导体光伏材料并调控了他们的晶体结构和带隙。开展了CCTS, CTS, BiSCl等半导体材料的研究，通过实验条件的控制和优化，调控了他们的晶体结构和带隙大小，为太阳能电池的研究提供了实验数据和参考；（3）改善了太阳能电池的转换效率。制备了结构为ITO/PEDOT: PSS/P3HT+PCBM/LiF/Al的有机太阳能电池，并研究了影响其光伏转换效率的因素。结果显示，组合退火是提高器件性能的一条有效途径。其机理为优化的退火温度和退火时间提高了有机活性层中电子和空穴的迁移率，改善了异质结界面性质，提高了短路电流和能量转换效率；制备了以CTS作为对电极的染料敏化太阳能电池。通过在CTS中掺入锰离子，部分取代其中的Cu离子，改善了电极/染料界面特性，增强了电荷的收集过程，提高了电池效率；（4）修饰改性了金属铝表面，获得超疏水/油特性。采用光刻、腐蚀等方法，在铝薄膜和块体材料表面构建了特定的微纳结构，并用低表面能有机材料修饰，获得了自清洁的铝表面，系统研究了制备工艺对表面液体润湿性的影响。对超疏水/油铝表面进行了耐久性和抗腐蚀性的研究和评价，为更好的进行铝及相关材料表面和铝/有机界面的研究提供了实验数据和参考。