采用光电子内发射技术研究有机太阳能电池中光生载流子的产生过程

The observed charge transfer state (CT) exciton has been proved to be indispensable for charge generation in organic solar cells (OPV)，at the same time the factors affected the charge generation have not been fully studied. Based on our previous work (JACS 132, 4554 (2010), PRL 98, 176403 (2007), et al.), the applicant proposed here to use the matured internal photoemission technique to study the most important factors for free charge generating: to confirm the exist of CT exciton directly or indirectly by using the steady-state excitation-probe technique and the magnetic resistance measurement of photocurrent; to study the effect of the interface states by using the photoluminescence quenching and the shift of capacitance-voltage; to determine the amount and the location of interface states by measuring the displacement current; to clarify whether the built-in electric field affect the charge generation or not;to study the role of excess enenrgy of the hot CT excitons by controlling interface formation; to fabricate OPV based on hot carriers. The platform for OPV study using internal photoemission technique can be established through this project. The understanding of the role of the interface for charge generation can also be widened. And some constructive suggestions for fabricating high conversion efficiency OPV will be put out.

近年来发现电荷转移态（CT）激子在有机太阳能电池(OPV)自由载流子产生中不可或缺，但至今影响该过关键程的许多因素还没有被充分研究。申请人前期研究（JACS 132, 4554 (2010)和 PRL 98, 176403 (2007)等）发现器件结构、界面态、电场等对OPV性能具有重大影响。据此提出用成熟的光电子内发射技术进一步研究影响光生载流子的四个重要因素：用稳态双光束实验和光电流磁阻效应直接或间接证明CT激子的存在；通过发光淬灭和电容电压曲线移动研究界面态对光生载流子的影响并测量位移电流来确定界面态数量和位置；澄清内建电场对激子在界面生成自由载流子过程是否有影响的争论；用控制界面形成尺度等手段研究热态CT激子过剩能量作用并制备热载流子OPV。通过本项目实施有望建立起光电子内发射技术研究OPV的技术平台，进一步加深界面对OPV光生载流子作用的认识，为制备高效率的OPV提供技术支撑。

有机太阳能电池的自由载流子产生过程对其效率起着决定性的作用。本项目计划采用光电子内发射技术研究影响光生载流子的四个重要因素，即电荷转移态激子的作用、界面态的作用、内建电场的作用和热态电荷转移态激子过剩能量作用。本项目基本按照原计划开展了以上的内容研究，在最后一年执行过程中将研究对象从有机太阳能电池调整到了钙钛矿电池，但研究内容还是影响光生载流子的影响因素。.通过本项目研究，我们发展了一种基于界面电子-激子相互作用产生自由载流子的新型有机太阳能电池器件，并通过外量子效率随光强和频率变化的规律加以证实。我们还研究了缺陷态对电荷产生过程和器件性能的影响，以并五苯/富勒烯异质结为例，表明缺陷态数量和能级适当的条件下是可以有利于激子的拆分并提高器件性能的。通过优化给体-受体界面，增大接触面积并减少界面态，实现了常规需要退火的P3HT:PCBM体系在不退火情况下的高性能器件。在内建电场的研究方面，我们还采用极化强度较大的PEIE来增强电荷收集能力，改善了P3HT:PCBM体系器件性能。在此基础上我们把PEIE 覆盖ZnO纳米颗双层的界面修饰层制备出不需要对活性层进行热处理的较高转换效率的有机太阳能电池，结合了界面态研究和内建场研究的成果。在调节内建场的作用方面我们还采用了具有很强的极性的CdS分子，系统地研究了其在CdTe/CdS电池在外电场下产生的极化电场的作用。通过证明Pentacene/C60太阳能电池中单线态裂变过程，我们初步探索了热态电荷转移态激子过剩能量作用。.通过本项目实施，我们发表了19篇SCI论文，其中以项目负责人为通讯作者的论文13篇，申报发明专利一项，培养了多名研究生，加深了国际国内同行的交流。项目的执行加深了界面对有机太阳能电池光生载流子作用的认识，为制备高效的有机太阳能电池提供了技术支撑。.