反型有机-无机杂化太阳电池的关键表/界面特性调控及其物理机理研究

The project will engineer a series of triphenylamine-type molecules as surface/interface modifiers for the solid-state inverted hybrid solar cells, which based on the novel structure of a one-dimensional array ZnO/Modifier/Polymer/Au(metal). The dipole moments of the modifiers will be obtained by means of quantum chemistry calculation, and the impact on band structure of semiconductor will be analyzed. The surface defect state distribution and hydrophobic properties of semiconductor, as well as the charge separation and transportation, electron recombination process will be systematically investigated. The electron recombination mechanism and dynamics will be revealed. The innovation and uniqueness of the proposal are: the hybrid solar cell based on the triphenylamine-type surface/interface modifiers with light-absorption properties has been proposed definitely, and the mechanism of interface modification on carrier transport characteristics, open-circuit voltage and short-circuit current will be investigated and ascertained. The study of this project will establish a technology and approach to improve the device performance by adjusting the properties of organic-inorganic surface/interface. The results will supply experimental and theoretical evidence for more stable, efficient hybrid solar cells, and for the development of a new generation of photovoltaic devices.

以基于三苯胺基团的有机分子作为表/界面修饰剂，构建以一维有序阵列ZnO/Modifier/Polymer/Au(metal)为基本结构的全固态反型有机-无机杂化太阳电池。通过量化计算得到修饰分子的偶极矩，并分析由此带来的半导体能带位置的变化；通过多种测试手段着重考察表/界面修饰分子对半导体的表面缺陷态分布、亲疏水性能，以及电池中电荷分离和转移、电子复合等动力学过程，揭示杂化太阳电池中电子复合的物理机制和动力学原理。主要创新点和特色：明确提出将具有吸光特性的基于三苯胺基团的有机分子用于修饰杂化太阳电池中半导性聚合物与无机半导体材料的表/界面，并探讨界面修饰对载流子传输特性以及对电池的开路电压、短路电流的影响机制。本项目的研究可望建立一种通过调控有机-无机表/界面特性来优化电池器件光电性能的技术和途径，为研制稳定、高效的有机-无机杂化太阳电池，发展新一代光伏器件提供实验基础和理论依据。

有机/无机杂化太阳电池（Hybrid Solar Cells，简写为HSCs）因兼具有机、无机材料的优势而成为科研工作者的研究热点。光生激子只有迁移到有机-无机异质结表/界面才可以分离，而杂化太阳电池往往因为材料本身的特性、有机-无机材料接触面积小以及二者性质的差异使其两相界面接触不佳，使激子传输到此异质结界面不能有效分离或者自由电荷复合严重而影响电池性能。因此，采用适当的表/界面修饰剂可以调控两相界面的接触特性，有助提高激子的分离效率。本项目即着重研究不同结构的三苯胺类的有机分子对有机-无机材料表/界面性质的调控和影响，提出界面修饰分子在结构上的设计原则；以此为研究对象，利用现代测试手段来表征修饰层结构对表/界面修饰前后的电荷注入转移、激子分离及电荷复合的影响，揭示杂化太阳电池中载流子传输过程的物理机制和动力学原理，阐明结构与太阳电池各性能参数的关系。结果表明，表/界面修饰分子引入后改变了无机半导体电极表面的亲/疏水特性，使其和聚合物之间的接触变得紧密，加快激子分离，抑制载流子复合，电池的光电转换效率有了显著的提高；暗态下，测试电池的电化学阻抗谱，得到经界面修饰后电池的界面电荷复合电阻变大，电子寿命延长；开路电压衰减测试显示，界面修饰后电池的开路电压衰减速率减慢，证明界面修饰层的添加抑制了载流子复合反应。另外，从能级结构的角度分析了这种修饰作用，即界面修饰分子能够像“桥”一样沟通无机半导体和有机半导体，形成级联能级结构，电荷分离更加高效，电子和空穴转移更加快速，抑制了电子、空穴的复合。此外，我们也探讨了杂化太阳电池的结构组成对电池性能的影响。结果表明，窄禁带半导体和新型空穴传输材料的引入也有助于电池性能的优化。本项目的研究可望建立一种通过调控有机-无机表/界面特性来优化电池器件光电性能的技术和途径，为研制稳定、高效的有机-无机杂化太阳电池，发展新一代光伏器件提供实验基础和理论依据。