热电/热释电诱导聚合物-无机杂化异质结的增强光伏效应研究

It is important for solar cells to promote the interfacial charge transfer to achieve high photovoltaic performance. In this project, nanogenerator-produced non-uniform electric field will be utilized to control the charge transfer and transport in the heterojunction interface. Well-defined zinc oxide (ZnO) nanorod arrays and titanium dioxide (TiO2) nanotube arrays will be grown on conductive substrates by magnetron sputtering-hydrothermal synthesis and anodic oxidation. Using poly(3-hexylthiophene) (P3HT) as electron donor, hybrid polymer-inorganic heterojunction of ZnO/P3HT and TiO2/P3HT will be fabricated. Comparative study of the pyroelectric effect of ZnO and the thermoelectric effect of TiO2 will be performed under different temperature field, and the influence of the electric field produced by ZnO and TiO2 on the photovoltaic performance will also be studied. Based on the regulation of heterojunction by pyroelectric/thermoelectric effects, fast-response and reliable photo-thermal detector with 3 x 3 pixel will be constructed. The project will have guiding significance on the development of high performance heterojunction solar cells and ultrafast photo thermal detector arrays.

界面电荷转移与传输是限制太阳能电池光伏性能改善的重要原因之一。本项目将纳米发电技术引入到太阳能电池的改性设计中，利用光伏器件内部热电/热释电纳米发电机产生的非均匀电场调控异质结界面的电荷转移与输运。拟采用磁控溅射-水热合成法和恒压阳极氧化法在导电衬底上分别制备形貌均匀、排列有序、晶体结构稳定的氧化锌（ZnO）纳米棒阵列和二氧化钛（TiO2）纳米管阵列，并以聚3己基噻吩（P3HT）为电子给体组装性能稳定的ZnO/P3HT和TiO2/P3HT杂化异质结光伏器件，比较研究不同温变场下ZnO的热释电效应和TiO2的热电效应，并深入研究ZnO和TiO2吸收光照后的热效应对光伏性能的影响以及电场性质对异质结的调控规律，在此基础上建立灵敏可靠的3×3像素光热探测器阵列。本项目为异质结的界面调控提供了新的思路，对新型高性能光伏电池和光热探测器的开发也有重要的指导意义。

界面电荷转移的强化驱动对于器件性能的提高有着重要作用。本项目利用纳米发电机的非均匀电场调制光电器件，详细研究了耦合效应在太阳能电池的电场调控、自驱动光电器件调制、环境能量的多能互补收集等领域的应用。本项目主要开展了以下方面的研究工作：（1）基于光激发、热释电/热电、半导体特性之间的耦合，在刚性衬底表面生长氧化锌纳米线阵列，组装了热释电（ZnO/P3HT）和热电（ZnO/InP）增强型光伏电池，系统研究了光伏器件本身自有材料的热电/热释电效应对异质结光伏性能的影响规律以及热电/热释电电场诱导异质结界面电荷转移的作用机制，提出了温度诱导极化电荷调控界面势垒高度提高光伏器件性能的新方法。（2）基于氧化锌基异质结和钛酸钡材料构建自驱动光电探测器件，利用热释电效应实现了光电探测器的性能提升，通过自驱动传感光热单元阵列化，实现了高分辨率光热成像。（3）利用铁电纳米材料的多重物理特性，构建了基于一种结构和多种效应耦合的纳米发电器件，实现了环境中太阳能、热能、机械能的同时收集。本项目执行期间，共发表学术论文14篇，研究结果不仅为界面电荷转移的强化驱动提供了新的思路，对新型高性能光伏电池和光热探测器的开发也具有一定的指导意义。