具有三维纳米结构的硫族铅化物/共轭聚合物杂化薄膜的制备及其光电转换性质研究

无机纳米晶/聚合物杂化薄膜太阳能电池具有材料成本低、制备工艺简单等优势，但由于无机-有机相的分离以及器件吸收谱与太阳光谱不匹配等问题使其光电转化效率只能达到5%左右。本项目旨在材料合成组装及改性两个层面上解决这个关键性问题，主要研究内容包括：(1)采用在红外区域吸收的硫族铅化物与在可见区域吸收的共轭聚合物进行杂化以匹配太阳光谱。(2)把磁控溅射技术和溶剂热反应技术相结合，原位制备具有三维纳米结构的硫族铅化物-共轭聚合杂化薄膜。实现在纳米尺度上或分子尺度上构建异质结构以降低无机-有机相的分离并因此提高载流子的传输能力。这种原位生长的结构也能提高杂化薄膜的稳定性以及简化器件的制作工艺等。本项目的开展对于开发新型无机/有机杂化薄膜并改善后续器件与太阳光谱的匹配以及提高其光电转换性能具有非常重要的意义。

本项目取得了一些原创性的成果，基本实现了预期目标。课题组采用简单的溶剂热及化学浴沉积等软化学方法，深入研究了原位制备的多种具有三维特殊微纳米结构的硫族铅化物（主要研究PbS和PbSe）、I-VI族（主要研究Ag2S、CuS）半导体薄膜材料的原位制备、反应机理以及与共轭聚合物的复合和改性。在此基础之上，对部分复合薄膜材料进行了太阳能电池器件的组装。我们主要采用商品化的P3HT、PCBM、MEH-PPV等作为参与杂化的共轭聚合物。主要组装成了Pb/PbS/P3HT/LiF/Al、Glass/ITO/PbS/P3HT/Al 、Glass/ITO/PEDOT: PSS/PbS:P3HT/Al、ITO/Ag2S:P3HT/Au等杂化薄膜太阳能电池器件，并测试了相应的光电转换性能。通过调整结构、优化实验参数等改进手段，这类杂化薄膜光电转换器件的效率得到逐步优化。为了进行对比研究，我们还应用最简单的水热方法制备具有多支化结构的PbS粉体材料且制作了相应的杂化薄膜太阳能电池器件并尝试着进行一些相关理论计算。. 本项目通过一步湿化学反应方法，不需要进一步的热处理，原位制备各种具有三维特殊微纳米表面结构的金属硫族半导体薄膜。为今后用低成本、简单的软化学方法制造新型微纳米结构太阳能电池器件打下良好的理论和实验基础。同以往单纯的旋转涂膜方法相比，原位制备的三维网状结构的微纳米晶阵列，能与共轭聚合物形成更均匀的网络互穿结构，横跨整个薄膜太阳能器件中，形成一种嵌入式的无机/共轭聚合物的异质结。半导体微纳米晶层与金属箔片或者ITO等导电衬底的结合更紧密。与此同时未完全反应的金属箔片或者ITO等导电衬底可作为未来太阳能电池的电极材料。这种原位生长的方式可使太阳能器件的制备工艺大大简化并可提高其稳定性。同时我们也发现，同高温高压的反应条件相比，在低温或室温下进行原位反应无论在结构控制还是今后产业化应用方面，都具有更大的优越性。