碱金属掺杂对ZnO薄膜性能的调控及其在有机太阳能电池中的应用研究

Organic solar cells employed doped ZnO films as cathode interfacial layers possess high efficiency and stability owing to the significantly improved properties of ZnO film by doping other materials. In this research, we plan to systematically investigate the controlled properties of ZnO film by using alkali metal doping and the application of alkali metal doped ZnO film as cathode interfacial layer in organic solar cells. In the first part of this research, we will prepare the alkali metal doped ZnO film by using sol-gel process, and study the growth mechanism of thin films aim to find the efficient method to decrease the film surface defects. In the second part of this research, we will study the effect of different alkali metal doping on the microstructure and photoelectric properties of alkali metal doped ZnO film, and propose the controlling mechanism of properties of ZnO film by using alkali metal doping. In the third part of this research, we will employee the alkali metal doped ZnO films as cathode interfacial layers in organic solar cells. High-performance organic solar cell devices will be obtained by improving the electron extraction properties through controlling the surface morphology and photoelectric properties of the cathode interfacial layers. Finally, we will establish the relationship model among the type of alkali metal doping, the microstructure of thin film, the photoelectric properties of film and device photovoltaic performance, in order to realize the high performance devices of alkali metal doped ZnO film based organic solar cells. This research will give possible direction for the future development of ZnO film based organic solar cells.

掺杂改性的ZnO薄膜作为阴极界面层可以有效提高有机太阳能电池的转换效率和稳定性。本项目拟通过碱金属掺杂实现对ZnO薄膜性能的有效调控，并对其作为阴极界面层在有机太阳能电池中的应用进行系统和深入的研究。采用溶胶-凝胶法制备了碱金属掺杂ZnO薄膜，揭示薄膜的生长机制并提出抑制薄膜缺陷的方法。阐明不同碱金属掺杂对薄膜微观结构及光电性能的影响，提出碱金属掺杂对ZnO薄膜性能的调控机制。探讨碱金属掺杂ZnO薄膜作为有机太阳能电池阴极界面层提升电子传输及收集效率的作用机制，通过阴极界面的有效调控提高有机太阳能电池的转换效率。最后，建立掺杂的ZnO薄膜中碱金属种类、薄膜微观结构、薄膜光电性能与有机太阳能电池器件光伏特性之间的关系模型。本项目具有重要的研究意义，将对新一代基于碱金属掺杂ZnO阴极界面层的低成本、高效率有机太阳能电池的开发提供从材料到器件的理论和实践的指导。

有机太阳能电池（OSC）的界面修饰层对器件的性能起着极为重要的作用。ZnO薄膜作为阴极界面层可以有效提高OSC的转换效率和稳定性。本项目为解决传统ZnO电子传输层表面缺陷较多、电导率较低、功函数和富勒烯受体材料的最低空轨道能级匹配度不够等缺陷，通过碱金属掺杂实现对ZnO薄膜性能的有效调控，并对其作为阴极界面层在OSC中的应用进行系统和深入的研究。本项目执行过程中主要开展了如下三方面的研究：.1）低温可溶液加工的碱金属掺杂ZnO薄膜的制备.主要采用溶胶-凝胶法制备高质量碱金属掺杂ZnO薄膜：在以ZnO和氨水溶液混合反应制备的Zn[(NH3)4]2+配合物溶液中掺入碱金属盐溶液制备前驱生长液，再以氧化铟锡（ITO）导电玻璃为基底，采用溶胶-凝胶法结合低温加热煺火工艺制备碱金属掺杂ZnO薄膜。通过优化制备工艺参数，实现了薄膜的缺陷控制，揭示了该掺杂型薄膜的生长机制并提出薄膜缺陷抑制方法。.2）碱金属掺杂ZnO薄膜的微观形貌、结晶性及光电性能调控机制研究.通过系统考察前驱生长液中溶液浓度及碱金属的掺杂比例、不同碱金属、不同的碱金属盐阴离子等因素对碱金属掺杂ZnO薄膜微观形貌及光电性能的影响，建立了碱金属掺杂ZnO 薄膜制备过程中的各种工艺参数与薄膜微观形貌、结晶性以及薄膜光电学性能的关系模型，研究了薄膜的光电性能调控机制。.3）基于碱金属掺杂ZnO阴极界面的OSC器件构筑、光伏性能表征及阴极界面调控机制研究.以优化的碱金属掺杂ZnO薄膜为电子传输层，聚合物P3HT:PCBM和PTB7-Th:PC71BM分别作为活性层构筑倒置型OSC器件；通过优化器件构筑过程中的各项工艺，最终实现了8.85%的光电转换效率（PCE）；系统研究了该倒置型OSC器件中碱金属掺杂ZnO阴极界面层中电子传输及收集机制，建立了薄膜制备工艺参数—薄膜表面形貌、结晶性—薄膜光电性能—OSC器件光伏特性能四者之间的关系模型，并探索了获得高性能基于碱金属掺杂ZnO阴极界面层OSC器件的方法。该项目研究结果对新一代基于碱金属掺杂ZnO阴极界面层的低成本、高效率OSC的开发提供了从材料到器件的理论和实践的指导。