基于全溶液制程的有机聚合物/纳米晶叠层太阳电池

美国Konarka公司在2010年宣布了有机聚合物太阳电池的当前最高效率8.3%。该效率仍远低于单晶硅太阳电池的25%。这种差距主要是因为具有较宽带隙的聚合物不能充分利用全太阳光谱的能量。而叠层技术的采用会有效拓宽太阳电池吸收的光谱范围，并降低高能光子吸收后带来的热损耗，将光电转换的理论效率从有机单结太阳电池的11%提升到15%。为克服有机叠层太阳电池的工艺困难和当前的效率瓶颈，本课题组提出将窄带隙，高吸收，高量子限域效应的纳米晶与有机聚合物共用，取代弱吸收的富勒烯，制作基于纳米晶、聚合物/纳米晶的杂化叠层太阳电池。这种器件结构能充分利用有机聚合物、纳米晶两种材料互补的特性。纳米晶的引入便于制作多层结构；通过调节纳米晶的尺寸可以改变其带隙，实现全光谱吸收，并解决子电池间带隙失配的问题；纳米晶的量子限域效应可以带来多激子产生效应。本课题组还将致力解决杂化系统中电荷转移等关键科学问题。

导电有机材料和无机纳米晶的太阳能电池可采用全溶液制程，用印刷的方式大面积高速量产。另外，这种新型太阳电池可采用柔性衬底，具有传统硅太阳能电池不具备的柔韧性和便携性，在移动电子产品市场上具有得天独厚的优势。但是，此类电池的能量转换效率与硅太阳能电池相比相差甚远。由于聚合电池的主要吸光范围在可见光范围，而纳米晶由于具有窄带隙和量子限域效应，在近红外区域有很不错的光伏响应。我们的策略是构筑聚合物/纳米晶叠层太阳能电池，充分利用太阳能光谱提高光吸收，最终提高器件效率。. 首先我们设计合成了一系列窄带隙聚合物材料，在聚合物/PCBM体系中，单节电池的能量转换效率达到6.17%，开路电压（Voc）高达1.0V的器件，为Voc超过1V的聚合物中能量转换效率最高的器件。此外,我们通过优化量子点尺寸，组分和表面配体，已获得单节PbS量子点电池效率8.6%。在单节聚合物/纳米晶杂化太阳能电池方面我们获得了5.50 %的世界最高效率。在此基础上，我们对叠层器件中的中间复合层进行攻关，成功实现了子电池的电压叠加，获得了可喜的成果。聚合物/纳米晶叠层太阳能电池获得效率5.2%；聚合物/聚合物叠层太阳能电池获得效率6.64%；纳米晶/纳米晶叠层太阳能电池获得效率7.48%；其中聚合物/纳米晶叠层和纳米晶/纳米晶叠层太阳能电池效率均为目前文献报道的最高值，体现了我们成果的先进性。. 通过本项目的实施，我们对基于聚合物和纳米晶的子电池杂化太阳能电池器，叠层太阳能电池从材料设计合成到器件构筑均做了系统的研究，部分成功已达到世界领先水平，大大促进了我国在此类新型光伏电池方面的发展。今后我们将继续攻关，争取进一步提高器件效率，推进此类新型廉价太阳能电池的产业化。