基于有机太阳能电池的光电功能薄膜的可控性生长

高性能的有机光电材料和优化的器件结构使有机太阳能电池（OPV）的光电转换效率在实验上已达到6.0%，然而与16.0%的理论值相差还很大；其主要原因之一是目前应用于OPV的有机功能薄膜是生长在"平滑"的衬底上，是没有控制的无序生长。高度取向的OPV有序薄膜不但可以降低缺陷密度和太阳能电池的串联电阻，而且能够提高载流子的迁移率，从而提高其光电转换效率。然而，由于有机分子之间以及分子与衬底之间的相互作用都很弱，对有机光电子器件可控性生长高度有序的有机功能薄膜是个巨大挑战！本项目拟设计、制备新颖的"结构化"衬底，在此衬底上"外延"生长具有高度取向的有序的有机光电晶体薄膜，在微纳米尺度探讨"外延"生长机制，研究薄膜微观结构与光电特性关系，揭示影响OPV性能的本质因素，为提高有机太阳能电池的光电转换效率提供实验依据和数据积累。

有机功能薄膜的形貌结构是影响有机太阳能电池(OPV)光电转换效率的一个重要因素，为了控制有机太阳能电池中光电功能薄膜的生长及薄膜的形貌，于2010年立项的本项目提出以“结构化”衬底而提高有机太阳能电池的性能概念。国际上在最近几年，纳米结构化有机太阳能电池（nanostructured organic solar cells）得到迅速发展（2011-2012年，在Advanced Materials 2011, 23, 1810-1828和ACS Nano 2012, 6, 2877-2892上有综述性论文发表），本项目探讨了以下的技术方法制备结构化的衬底而控制有机薄膜的生长：（1）采用光刻技术在ITO（导电透明薄膜）衬底上制备周期性结构，（2）在ITO衬底上选择性地制备缓冲层，（3）在ITO衬底上自组装纳米球模板，并以纳米球为模板对ITO而进行纳米刻蚀。其中，方法（1）没有达到显著提到有机太阳能电池的性能，这可能是由于所制备的周期性结构尺寸较大（大约1 微米）；方法（2）采用Sb2O3作为电池的阳极缓冲层，改善了有机薄膜CuPc的生长模式；不同方法（1）的光刻技术，方法（3）采用在ITO上旋涂聚苯乙烯纳米球（100 nm）作为刻蚀ITO衬底的模板，从而在ITO衬底上制备了较精细的结构，这结构进一步诱导有机功能薄膜(如P3HT:PCBM)的生长。由于方法（2）和（3）能够控制有机薄膜的形貌结构，所以能够较显著地提高电池的光电转换效率，分别提高了34%和15%。本项目也探讨了在ITO衬底上制备Au纳米球，通过表面等离子共振效应（surface Plasmon resonance）而达到提高电池光电性能，光电转换效率可以获得10%-20%的提高。同时，本项目对二维纳米材料也展开了研究。共发表被SCI收录的论文21篇（包括Chemical Reviews（5年期影响因子为42.054）和Nature子刊Scientific Reports各一篇），包括影响因子大于7的4篇；国家发明专利8项（已授权5项），国际专利2项；培养研究生3名。