基于级联结构和界面优化的宽光谱高效柔性聚合物太阳电池研究

聚合物太阳电池具有价廉、柔性、制备工艺简单且易于大面积生产等优点，但由于单一聚合物谱带吸收窄，器件的电子收集能力差等因素，导致了电池的能量转换效率较低。本课题将针对此问题，采用级联器件结构和界面优化工艺相结合研究制备宽光谱高效柔性聚合物太阳电池。重点开展作为中间层的ZnO、TiOx及掺杂型纳米材料的低温合成和性能优化工作，并探索其用于聚合物级联太阳电池的关键工艺条件，解决级联太阳电池的串联问题；同时采用合成的高性能掺杂型ZnO、TiOx纳米材料，或以设计合成的新型带特定负离子基团的六苯并蔻离子化合物为代表的、性能优异且极性溶剂可溶的离子型电子传输层材料作为界面优化层，目的是加速电子向阴极传输的同时改善器件的电极接触，提高光伏器件的能量转换效率，实现全溶液法制备宽光谱高效聚合物太阳电池，并对影响此类器件性能的因素进行分析。课题的顺利开展将加深对器件机理的认识，并推动聚合物太阳电池的发展。

各种太阳能电池中，有机太阳能电池具有质量轻、成本低、柔韧性好且可大面积印刷等优点，成为一个研究热点。然而有机太阳能电池的转换效率仍偏低且器件稳定性也有待提高。本项目围绕开发新型光敏材料、研究性能更佳的界面修饰材料、采用叠层等器件工程解决单一有机分子的吸收等问题展开，取得了一系列结果：.1）制备了性能优异的稳定性界面层材料，不仅提高了电池效率，还改善了器件的稳定性问题。一是通过改进传统溶胶—凝胶工艺以及合理的光学设计，采用低温溶液工艺成功地在ITO玻璃上制备了大面积、均匀且具有抗反射特性ZnO和掺铝ZnO纳米晶薄膜，不仅作为优异的电子传输层材料，还作为抗反射膜，同时改善了器件的性能和稳定性。二是采用钛酸酯异丙醇溶液，利用一步低温溶液法成功在ITO玻璃上制备了高质量、透过率高的TiOx非晶薄膜，与PEDOT:PSS材料相比，提高了器件的电子收集能力，改善了器件稳定性。三是采用氧等离子体处理方法简单快捷的制备了高质量V2O5薄膜。由于薄膜具有优异的界面性质，与活性层形成很好的接触。此外，由于氧等离子可以改善界面的功函数，基于P3HT:PC61BM的器件性可以提高到4.47%，填充因子达到73.55%，是基于此材料最高值之一。此方法及V2O5薄膜具有简单、廉价、通用性强等优点，在有机太阳能电池制备中具有极大的优势。四是设计合成了一类简单的水溶性富勒烯衍生物电子传输层材料。.2)分别研究了同沸点添加剂，共添加剂对器件性能的影响。其中，共添加剂可以形成更理想的给体和受体纳米尺度相分离的互穿网络结构,还可改善光生空穴和电子载流子的平衡，促进了载流子的传输与收集。.3) 给受体材料的性能直接关系到有机太阳能电池性能，是高效太阳能电池的基础。我们在给受体的研究方面都取得不错的结果，其中设计合成的小分子效率达到7.93%。设计合成一种具有完全自主知识产权的富勒烯衍生物，性能与PC61BM相当。.4) 中间层的成功与否是实现叠层器件的重要一步。我们以新方法合成制备的各种界面传输层为基础，进一步优化集成器件工艺，全溶液法制备了双层的P3HT:PC61BM太阳能电池器件:ITO/V2O5/P3HT:PC61BM/TiO2/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM/Ca/Al，其转换效率达到4.01% （Jsc=5.93 mA/cm2，Voc=1.19 V, FF=0.57）。