聚合物/氧化物杂化太阳电池中多元复合界面结构特性对光电转换过程的影响

Hybrid polymer-based solar cells (HPSCs) that use conjugated polymers as an electron donor (D) and inorganic nanostructures as an electron acceptor (A) are novel and potential solar cells because of their particular advantages. Nanostructures of oxides are good electron-accepting materials for solar cells. However, the power conversion efficiency of polymer/oxide solar cells is not high yet (< 3%), mainly due to the poor compatibility between inorganic and organic components, the low efficiencies of exciton dissociation and charge carrier injection at D/A interface, and many issues concerning the structural characteristics at the D/A interface are still unclear. This project aims at the access to the polymer/oxide devices with high efficiency. For this purpose, multicomponent polymer/oxide interfaces are constructed for HPSCs by interfacial co-modification with organic and inorganic modifiers in order to overcome the limitations in the mono-modification with either organics or inorganics; the theoretical model of carrier transportation is developed for comprehensively description of the dynamics in the key steps involved in photon-to-current conversion in the HPSCs with multicomponent interfaces, according to the device architecture and the feature of charge carrier transportation and in consideration of the effect of the multicomponent interface on the conversion process; combinational studies with the theoretical and experimental data, the key interfacial factors that governing device efficiency and the related physical principles are revealed, providing the scientific bases for device optimization. Implementation of this project can promote the development of low-cost solar cells.

由有机聚合物为电子给体（D）和无机纳米结构为电子受体（A）组成的杂化型聚合物太阳电池具有独特优势，是一种有潜力的新型太阳电池。氧化物纳米结构是一种很好的电池受体材料,但是聚合物/氧化物电池的效率目前仍不高（< 3%），主要界面问题在于D/A界面相容性差、界面激子分离和电荷注入效率低、许多界面结构特性相关的基本物理问题不清楚。本项目以高效聚合物/氧化物太阳电池为目标牵引，用无机和有机共修饰方法为电池构筑多元复合D/A界面，以克服单一有机或无机修饰界面的局限性；针对具有多元复合界面的电池结构和载流子输运过程等方面的特点，充分考虑多元复合界面在光电转换中的作用，建立载流子输运理论模型,以综合性地描述光电转换过程的动力学行为；理论与实验相结合，揭示影响电池性能的关键界面因素和物理机制，为电池结构的优化提供科学依据。本项目的实施可促进低价太阳电池的发展。

以有机共轭聚合物为电子给体和金属氧化物纳米结构为电子受体组成的杂化型聚合物太阳电池具有独特优势，是一种新型太阳电池。但是，聚合物/氧化物杂化太阳电池的效率不高,主要问题在于材料界面结构和器件不理想及许多界面结构特性相关的基本物理问题认识不清楚。本项目主要是针对这些存在的问题，提出解决方案。本项目主要研究目标是，以高效聚合物/氧化物太阳电池为目标牵引，构筑有效的载流子复合分离界面，理解载流子分离中复合界面组分的作用机理；建立界面结构特性相关的载流子输运理论模型，揭示影响电池光电转换性能的关键界面因素和物理机制。本项目要解决的关键问题是，复合界面组分的光伏作用机理及载流子输运动力学理论模型。. 在本项目资助下，围绕研究目标和关键科学问题，我们开展了氧化物基复合界面的可控构筑及其杂化太阳电池性能的研究，成果主要以论文和发明专利的形式发表，完成了预定的研究计划和研究目标。主要研究内容包括：（1）电池材料的制备、结构与性能；（2）太阳电池的构筑及性能；（3）界面结构特性影响光电转换过程的物理机制。研究工作取得了显著进展，受到国内外学者的关注。重要成果体现在三个方面：（1）在材料、界面工程及器件制备技术研究方面， 建立了多种无机半导体复合界面、有机/无机复合界面、宽光谱吸收半导体纳米结构及其有机-无机杂化物等材料的可控制备方法和技术，制备了相关的新型太阳电池器件；（2）在界面结构特性与电池性能的关联性及物理机制研究方面，揭示了多种材料和界面结构的生长原理，提出了系列界面结构特性相关的载流子行为及电池性能等方面的新观点和模型；（3）在载流子输运动力学理论研究方面，建立了氧化物基复合界面杂化太阳电池的载流子输运动力学理论模型；建立了太阳电池中空穴电流的动态表征方法及理论基础。这些成果，为杂化太阳电池材料和器件结构的设计和优化提供了科学依据，促进了低价太阳电池的研究和发展。