有机光伏电池的界面电荷传导特性及相关调控机制

In recent years, organic photovoltaic cells show great industrial potential and application prospects. In order to develop the high efficiency organic photovoltaic cells, a thorough understanding of the photo-induced interfacial carrier behavior of such device is one of the key points. Based on the internal mechanism of the photovoltaic effect, by coupling the interfacial electronics structure measurement and the CELIV (charge extraction by linearly increase voltage) carrier dynamic observation, we will carefully measure and analyze the interfacial carrier behavior as well as interfacial degradation mechanisms. Meanwhile, we will establish Maxwell-Wagner type theoretical model and combine with CELIV measurement, in order to analyze photoelectric conversion and charge accumulation at organic donor - acceptor interface. Furthermore, we will develop the methods and techniques to modify the interfacial properties of the organic photovoltaic cell. Based on the development and improvements of both theoretical model and experimental techniques, we can direct the study of the interfacial optimization and figure out some good methods to enhance the charge transport process on the interface and finally fabricate the devices with high performance. This project is important for understanding the interfacial carrier characteristics of the organic photoelectric devices and it can provide theoretical and technical support for the development of high-efficiency organic photovoltaic cells.

近年来有机光伏电池表现出巨大的发展潜力和应用前景，而彻底了解光生成电荷在界面的行为特性是设计高效率的有机光伏电池的关键环节之一。本项目将从有机光伏效应的内部作用机制出发，通过发展界面能级结构表征与CELIV(载流子的线性增加电压的提取)的载流子动态观测相结合的实验手段，测量电荷在界面的传导和积累的过程；建立Maxwell－Wagner物理模型分析有机光伏电池界面的光电转换和电荷积累的过程，并与CELIV实验相配合，使测量能更关注于界面电荷的行为，深入解析电荷在界面的传导机制以及界面特性的退化过程。最后，通过实验手段和物理模型两个方面的创新和改进来指导界面调控手段的研究，实现对器件效率和稳定性的改善，制备具有较高光电转化效率的有机光伏电池。本项目对于深入了解电荷在有机半导体界面的行为特性以及有机光伏电池的光电转化机制具有重要的意义，可以为研发高效率有机光电器件提供理论和技术支持。

有机光伏电池具有重量轻、质地柔软、制作简单、成本低廉、材料选择灵活性强等众多优点。近10 年来，虽然有机光伏电池的研究在国内外取得很大进展，但人们对其电荷传导的工作机制和影响机理尚未达成共识，对于有机光伏电池的结构改进而引起的光电转化效率的增强也有着不同的解释和分析。因此，要想从根本上解决器件的实际应用的问题，我们仍然需要从基本的光伏原理出发，彻底了解电荷在界面的物理过程，完善电荷产生和传输的机理研究。. 关于电荷在有机膜内部的积累，通常人们会考虑一些局域态的存在，比如导带态，在本体内成指数分布的陷阱电荷等等，这些局域态的分析可以利用归一化的高斯函数模型。另一方面，基于Maxwell-Wagner 效应，电荷会在两种具有不同驰豫时间常数的电介质材料的界面处积累，从而产生Maxwell-Wagner 型的界面电荷积累。以Maxwell-Wagner 理论为基础建立的物理模型，可以很好的解释电荷在有机材料界面的传导过程。在本项目的三年执行时间内，我们发展了针对电荷界面传输的动态观测实验手段，并建立了 Maxwell-Wagner 理论模型用于解析电荷的传导机理，深入研究了界面特性对光电转化的影响机制，探索了诸多界面调控手段对器件界面电荷传输以及界面特性的稳定性的影响机制，并选出界面最佳的调控材料和实验参数，获得较高性能的光伏器件。此外，我们也将同样的界面电荷传导的分析手段和实验表征技术应用于了纳米能源器件的领域，分析了纳米材料的界面起电机理，以及微能量收集的转化机制，为我们团队的拓展了新研究方向。. 项目实施三年中，我们已发表SCI论文12篇（标注了项目基金号），其中有6篇文章发表在影响因子超过12的杂志上，申请发明专利2项，实用新型专利3项，培养研究生4人。项目负责人参加国际学术会议4次，其中口头报告两次，邀请报告两次。本项目通过对有机光伏电池的界面电荷传导和积累等现象的分析，揭示了表界面特性与光电转换性能的作用机制，并在此基础上研究了诸多界面性能调控和器件性能优化的新方法。本项目的机理分析以及实验手段可以为有机光伏电池结构的设计、材料的选择、方案的优化提供重要帮助，为今后高效的有机光伏器件器件的光电转换机制研究以及高效率光电子器件的研发提供可靠的理论和技术储备。