有机半导体激子和载流子行为的电容检测新方法研究

Organic solar cell has received considerable attention and investigation due to its high selective, low cost, easy fabrication and friendly to environment while the energy problem becoming increasingly severe. However, further improvement of power conversion efficiency and lifetime of organic solar cell is limited by less known to the characteristics of organic materials. The first reason is mature inorganic semiconductor theory often can’t apply to organic semiconductor and the second reason is the less research method to character organic materials. To solve this problem, we plan to develop a new research method based on capacitance measurement to investigate exciton and carrier behaviors in organic materials in this project. We will combine the experimental results and theories to fully understand exciton and carrier behaviors in organic materials and then guide the device design and optimization of organic solar cell. This project will do a well preparation for a further enhancement of the organic solar cell’s performance.

在能源问题日益严峻的背景下，有机太阳能电池因其具有可选择性强、成本低、制备简单、对环境友好等独特的优点而受到了广泛关注和研究，但对有机材料特性缺乏深入了解制约着有机太阳能电池效率和寿命的提升。造成这种问题的原因来自两个方面，一是较为成熟的无机半导体理论无法套用到有机半导体中，二是目前对于有机材料特性的表征缺乏更多的研究方法。针对这一问题，本项目拟开展了一种基于电容测量的新方法用于研究有机半导体材料中的激子和载流子行为，由此深入认知有机材料特性，并且将实验结果与理论模拟有机结合在一起，两者之间相互支撑相互促进，以求达到透彻理解有机材料中的激子和载流子行为的研究目标，反过来指导有机太阳能电池器件结构设计和优化，为进一步提升有机太阳能电池效率和寿命打下坚实的基础。

激子与载流子行为是决定有机半导体器件性能与稳定性的核心因素。相比开展研究较为成熟的无机半导体领域，有机材料及半导体器件具有高无序性、界面复杂、高激子束缚能，及载流子输运行为复杂等众多极其不同的特征，这给有机半导体器件中激子与载流子行为表征带来了极大的困难，并进一步阻碍了材料合成方向的选择与器件结构的优化。一方面，由于基本物理模型的巨大差异，在传统无机半导体领域已发展成熟的众多表征技术无法直接应用以表征有机半导体材料。另一方面，现有针对有机半导体的特殊情况而开发的一些表征技术往往具有技术实施难度大、成本高昂，及测量环境相较器件实际工作条件相差巨大等问题。为了解决这些困难，我们提出了基于电容检测方法表征有机半导体内激子与载流子行为的新思路。在本项目的帮助下，经过近四年的努力，我们成功发展了一套基于电容测量的表征方法。结合电容方法，我们在多个方向取得了成果：（1）通过电容方法澄清了有机发光器件中常用的电荷产生层在电场作用下只能产生自由空穴而并不能产生自由电子，并定量的得到了产生电荷量与施加电场的关系；（2）有机半导体器件常用的电子传输材料富勒烯中，存在非故意掺杂的自由载流子及陷阱态，其与相邻功能层界面附近的载流子堆积会显著改变载流子注入；（3）有机太阳能电池中光生空穴能够从电子给体相转移至电子受体相，并被高效收集。这打破了本领域关于有机太阳能电池中载流子收集过程的传统观点；（4）体异质结有机太阳能电池器件中，功能层与修饰层界面附近的表面组分会显著影响器件的载流子收集效率，根据研究结果我们通过一个简单方法将模型器件的效率提高了37%；（5）通过在制备过程中同时形成具有大小差异的晶粒，钙钛矿发光器件可以在工作中实现自钝化，这一策略显著地提高了发光器件的性能与稳定性。