利用瞬态光电压技术研究高效聚合物太阳电池载流子收集效率的研究

Due to the advantages of abundant sources, light weight, and low costs, organic soar cells becomes a hot research topic in recent years. And the power conversion efficiency (PCE) of single-junction bulk hetero-junction polymer solar cell has exceeded 9%, which is coming close to 10%, the key point to its industrialization. The improvement of devices performance is therefore becoming an important issue currently. The investigation of carriers’ generation and collection efficiency, which may help to explore the ways to optimize the key parameters of the devices, is an effective way to improve devices performance. Based on the previous work on high efficiency devices, this project plants to study the impact of devices carriers transport and collection efficiency on open-circuit voltage, short-circuit current and fill factor by carrying out situ measurements on real devices via transient photovoltage. By clarifying the mechanism of carriers transport systematically, we can develop new methods to improve the carriers’ collection efficiency. Based on the above research, the efficiency and stability of the devices will be improved simultaneously through the optimization of all the device parameters. By all means, we will try to achieve a PCE over 10% of the single-junction polymer solar cells.

由于聚合物太阳电池具有原料来源广泛，质量轻，制作成本低等特点，近年来成为一个热门的研究领域。随着全世界各国科学家对聚合物太阳电池的深入研究，单结聚合物本体异质结太阳电池的效率已经突破了9%，接近10%这一产业化关键点。提高器件性能的研究是本领域当前面临的一个重要课题。研究器件载流子产生和收集的效率，从中探索优化器件工作的各项关键参数的方法和途径，是提高器件性能的一个有效途径。本项目拟在前期高效聚合物太阳电池器件研究的基础上，采用瞬态光电压技术，在真实器件的基础上进行原位测量，研究器件中的载流子输运和收集效率对器件开路电压，短路电流和填充因子的影响，系统阐明器件载流子传输的动力学机制，发展提高器件载流子收集效率的新方法。在以上研究的基础上，通过综合优化器件的各项参数，实现器件效率和稳定性方面的同步改善，力争率先实现能量转化效率超过10%的单结聚合物太阳电池器件。

在有机太阳电池中，载流子从产生到收集要经历一系列的动力学过程。由于受到器件活性层本体给-受体界面、两相陷阱态、界面陷阱态、电极界面接触势垒等等众多因素的影响，这个物理过程十分复杂。因此研究相关过程的载流子动力学机制，阐明其中的关键问题，对认识器件工作的物理机制有重要的作用，能够为寻找提高器件效率的方法提供重要依据。本课题主要的研究内容是围绕提高有机太阳电池器件的载流子收集效率和制备高效高稳定性器件这一中心问题，以瞬态光电压技术和光电子能谱技术为主要手段，开展有机太阳电池界面优化、形貌优化优化以及其中涉及的动力学机制的研究。研究取得了重要的进展，包括发表了多篇高影响因子的论文，在文献中率先实现了能量转换效率超过10%的单结太阳电池，阐明了器件载流子传输和收集过程涉及的能量损耗和载流子弛豫等问题；研究成果获得了2015年度“中国光学重要成果奖” 和2015年度“中国百篇最具影响国际学论文”；获得2015年国家自然科学二等奖和2015年教育部自然科学一等奖各一项。