工作条件下有机太阳能电池界面的动态特性研究

Polymer solar cells attract more and more attention for their superior performance and expansive market demand under world-wide energy crises. Recent research shows that it is essential to further understanding of the device operating mechanism for further improving device performance. This project will fundamentally investigate the donor-acceptor and organic-metal interface characteristics and their influence on charge separation, transport and collection in polymer solar cells by combining the in-situ measurement technologies, such as electrical-dependent magnetic photocurrent effect, photoluminescence, electroluminescence, light induced impedance measurement and scanning kelvin probe microscopy. This investigation will reveal the relation between materials parameters and device performance by experiments and theory calculation. The goal is to develop advanced theory for designing new photovoltaic materials and highly-efficient polymer solar.

聚合物太阳能电池是近十年来能源领域国际前沿的研究热点，最新研究发现，电荷转移态的分离和复合、电极处的电荷收集是影响光伏器件光电转换效率的关键过程，材料的电极化特性和电偶极是影响光伏器件关键过程的主要参数。.本项目将利用光致发光、电致发光、光诱导介电、扫描开尔文探针显微镜和电场依赖的光电流磁场效应等原位测试技术，针对给体/受体和有机/金属界面，研究电荷转移态与光电流、开路电压的内在关联，深入分析工作条件下材料的电极化特性、电偶极对电荷分离、传输和收集的影响规律。本项目研究将揭示材料的物理参数是如何通过开路电压、短路电流和填充因子等器件参数来影响器件的光电转换效率，拟建立解决短路电流和开路电压之间矛盾的实验和理论基础，实现调控有机活性层电极化特性的实验方法，最终目标是为材料设计和器件制备提供新的思路。

聚合物太阳能电池是近十年来能源领域国际前沿的研究热点，最新研究发现，电荷转移态的分离和复合、电极处的电荷收集是影响光伏器件光电转换效率的关键过程，材料的电极化特性和电偶极是影响光伏器件关键过程的主要参数。本项目利用了电致发光、光诱导介电、瞬态光电流和电场依赖的光电流磁场效应等原位测试技术，针对给体/受体和有机/金属界面，研究电荷转移态与光电流、开路电压的内在关联，深入分析工作条件下材料的电极化特性、电偶极对电荷分离、传输和收集的影响规律。主要研究工作如下:（1）利用瞬态光电流和光诱导介电方法研究了界面偶极影响器件性能的规律；（2）采用热退火的方法调控了活性层的电极化，研究了极化特性对器件性能的影响；（3）研究了不同温度和光强下的IV特性，揭示了介电常数对光伏过程的影响规律，提出解决短路电流和开路电压矛盾的理论方法；（4）利用光致发光磁场效应和光电流磁场效应方法研究了激发态的演化规律，从电子自旋的角度，研究了影响三重态激发态动力学的自旋因素。.通过以上研究得出如下主要结论：（1）强界面偶极可以减小电荷的提取时间，提高电荷收集效率，进而降低电荷在体内积累、复合，提高光电流和填充因子；（2）热退火增强的局部电极化可以增加给体-受体界面电荷载流子的产生、电荷传输以及电极界面电荷载流子的收集；（3）提高活性材料的介电常数，减小激子的束缚能，可从根本上解决短路电流与开路电压之间的矛盾；（4）并四苯中激发态的演化行为除受能量（温度）因素影响外，激子间的自旋-自旋偶极相互作用也是影响激子劈裂过程的重要因素；（5）在三线态激子占主导的器件中，三线态激子-陷阱相互作用是光电导产生的主要因素；.我们的研究主要创新点有三项：第一，利用原位测试表征技术，研究了器件工作状态下界面对光伏过程的影响；第二，揭示了介电常数影响光伏性能的重要性，为解决短路电流和开路电压提供了证据；第三、较早的从自旋-动量守恒角度出发，研究了激发态演化的影响因素，揭示了激子间的自旋-自旋相互作用的重要性；我们的研究结论为器件设计和材料合成提供了理论依据。