氧化物基多元核壳结构纳米阵列的可控制备及其高效杂化太阳电池研究

Hybrid polymer solar cells consisting of vertically aligned one-dimensional (1D) inorganic nanostructure arrays as electron acceptor (A) and organic conjugated polymers as electron donor (D) are novel and potential solar cells due to the unique and ideal architecture in them. The arrays of metal oxides are the most widely used 1D structures for such nanoarray devices; however, the power conversion efficiency of those oxide solar cells is not high yet (< 3%), mainly due to the poor compatibility between inorganic and organic components that causes the low efficiencies of exciton dissociation and charge carrier injection at D/A interface, the narrow absorption spectrum of polymers, too many defects on oxide surface, and many basic issues concerning the photon-to-current process are not well understood. This project aims at the access to efficient polymer/nanoarray solar cells. For this purpose, the methods and principles for synthesis and assembly of the oxide-based multicomponent core/shell nanoarrays with effective electron-transporting and photon-harvesting properties and the nanocomposites harvesting light in a wide spectrum are developed to prepare the multicomponent composites for photo-to-current conversion, to overcome the deficiency in the simple material system of polymer and oxide; the theoretical model of charge transportation is developed for comprehensively description of the charge transport dynamics related to the composition and structure of the core/shell nanoarrays, on the basis of the charge generation and transfer characteristics in the nanoarrays; combinational studies with the theoretical and experimental data, the principles governing the photon-to-current conversion property of the multicomponent composites in the solar cells are revealed, providing the scientific bases for optimization of device structure; the technology for thin-film device assembly is developed for the prototypal solar cells with an efficiency of 5-6%. Implementation of this project can promote the development of low-cost solar cells.

由无机一维纳米结构阵列为电子受体（A）和有机共轭聚合物为电子给体（D）组成的杂化型聚合物太阳电池，具有理想的器件结构，是一种有潜力的新型太阳电池。金属氧化物纳米阵列是此类电池中使用最多的受体材料，然而氧化物电池效率仍不高（< 3%）；主要由于D/A界面相容性差、聚合物吸收光谱窄、氧化物表面有大量缺陷、许多基本问题不清楚。本项目以高效聚合物/纳米阵列电池为目标，发展有良好电荷传导和光吸收性能的氧化物基多元核壳结构纳米阵列、复合宽光谱吸收材料的合成和组装方法，制备多组分复合光电转换材料，克服聚合物和氧化物简单材料体系的不足；针对核壳阵列的电荷产生和传输特点，建立电荷输运理论模型，描述阵列组成和结构相关的电荷输运动力学行为；理论和实验相结合，揭示电池材料的光电转换机理，为电池结构的优化提供科学依据；发展薄膜电池制备技术，获得效率为5-6%的原型器件。本项目的实施可促进低价太阳电池的发展。

由金属氧化物一维纳米结构阵列和有机共轭聚合物组成的杂化型聚合物太阳电池，具有理想的器件结构，是一种有潜力的新型太阳电池。但是,聚合物/氧化物纳米阵列太阳电池的效率不高,主要问题在于聚合物吸收光谱窄、氧化物纳米结构表面缺陷多、许多材料结构相关的基本问题不清楚。本项目主要是针对这些存在的问题，提出解决方案。本项目主要研究目标是,以高效聚合物/纳米阵列电池为目标牵引，建立和发展基于氧化物基核壳结构纳米阵列、窄带隙纳米结构和有机共轭聚合物的高效多组分复合光电转换材料的制备新方法和原理，揭示多组分复合提高太阳电池光电转换性能的机制，获得具有自主知识产权的复合材料和低价阵列结构太阳电池制备技术，获得效率为5-6%的电池原型器件。本项目要解决的关键问题是，高效多组分复合电池材料的合成和组装方法及原理、复合材料界面在光电转换中的作用机制、核壳阵列电池的电荷输运动力学理论模型。. 在本项目资助下，围绕研究目标和关键科学问题，我们开展了氧化物基核壳结构复合纳米阵列和纳米结构光吸收材料的可控构筑及其杂化太阳电池性能的研究，成果主要以论文和发明专利的形式发表，完成了预定的研究计划和研究目标。主要研究内容包括：（1）纳米材料的制备、结构与性能；（2）太阳电池构筑及光电转换性能；（3）复合材料结构特性影响光电转换过程的机制。研究工作取得了显著进展，受到国内外学者的关注。重要成果体现在三个方面：（1）在材料及器件的制备技术研究方面，建立了多种氧化物基核壳结构复合纳米阵列和宽光谱吸收纳米结构材料的可控制备方法和技术，制备了新型太阳电池，获得了效率为5-6%的电池原型器件；（2）在材料结构特性与太阳电池性能相关性研究方面，揭示了系列纳米结构材料的生长原理，提出了系列材料结构特性相关的电荷行为及电池性能方面的新观点和模型；（3）在电荷输运动力学理论研究方面，建立了氧化物基核壳结构复合纳米阵列杂化太阳电池的电荷输运动力学理论模型，建立了太阳电池中空穴电流的动态表征方法及理论基础。研究成果促进了低价太阳电池的研究和发展。