有机太阳能电池施主/受主异质结界面电荷转移态的物理特性及其对器件性能的影响

在有机太阳能电池的施主材料和受主材料异质结界面存在着一种新颖的电荷状态-电荷转移态（charge transfer states），它是从激子分离到自由电荷产生过程中必不可少的中间状态；同时它的能量大小也决定着有机太阳能电池所能取得的开路电压上限。电荷转移态的物理特性对于有机太阳能电池的性能有着极其重要的影响。本项目基于P3HT:PCBM、MEHPPV:PCBM、CuPc:C60等材料体系，通过器件制作、性能测试、实验数据分析及理论建模等方法和途径对有机太阳能电池施主/受主异质结界面的电荷转移态进行研究，以获得电荷转移态离化和复合的物理机理，建立电荷转移态的物理特性和器件性能之间的关系，从而确定抑制有机太阳能电池性能提高的主要因素，最终制定实验方案提高器件性能。研究结果将为进一步提高有机太阳能电池的性能提供一些具体的实验思路和方法，同时对完善有机太阳能电池的光电转换的基本理论做出贡献。

在有机太阳能电池的施主材料和受主材料异质结界面存在着一种新颖的电荷状态—电荷转移态（charge transfer states），它是从激子分离到自由电荷产生过程中必不可少的中间状态；他与太阳能电池的短路电流和开路电压关系密切，因此电荷转移态的物理特性对于有机太阳能电池的性能有着极其重要的影响。本项目通过理论建模、器件制作、性能测试及实验数据分析等方法和途径对有机太阳能电池施主/受主异质结界面的电荷转移态进行研究，以获得电荷转移态离化和复合的物理机理，建立电荷转移态的物理特性和器件性能之间的关系，从而确定抑制有机太阳能电池性能提高的主要因素，最终制定实验方案提高器件性能。在理论模型方面，本课题通过光学矩阵理论及考虑电荷转移态离化的Onsager-Braun模型建立了短路电流与电荷转移态之间关系，由此可以分析电荷转移态的各种性质对短路电流的影响；通过考虑施主材料的最高分子占据能级、受体材料的最低分子未占据能级、态密度的高斯分布、电荷转移态中电荷对之间的束缚能、入射光子密度、载流子的复合及有机材料与电极接触时的势垒降低效应，我们建立了有机太阳能电池开路电压模型，由此可以分析电荷转移态的各种性质对开路电压的影响。基于所得到的理论模型，增大激子分离时形成电荷转移态的电子和空穴的初始距离、增加载流子迁移率、减少载流子的复合及提高电极对载流子的提取效率都能有效提高电荷转移态的离化效率，从而提高有机太阳能电池的短路电流和开路电压。有机太阳能电池有效层光学特性分析显示，在P3HT:PCBM材料中PCBM的加入有利于激子的分离和电荷转移态的形成，退火促进了P3HT和PCBM的相分离，使P3HT部分结晶化而使载流子迁移率提高，这种形貌的改变和载流子迁移率的提高有利于电荷转移态的离化。器件的优化也显示了在150OC，退火15分钟可取得优化的器件性能。基于现有对电荷转移态的认识，我们通过对界面的改性从而使载流子的有效提取大大增大，从而增大电荷转移态离化的几率。通过水溶液ZnO薄膜对ITO界面的改性，大大提高了电极对载流子的提取效率，提高了器件性能，而且器件可靠性大大提高。基于此结果，我们实现了基于PET衬底的柔性器件。接着我们通过对AZO电极的改性和金属薄膜透明电极，同样取得了具有优异性能的有机太阳能电池器件。研究成果基本达到了原定研究目标，所取得的研究成果也将为进一步提高有机太阳能电池