本体异质结光伏功能薄膜中纳米畴结构的可控组装基础研究

It is hard to increase largely the power conversion efficiency (PCE) of organic (polymer) thin film solar cells with bulk heterojunction (BHJ) structures. The control on the assembling of the nanodomians within the thin films has been considered as one ofthe efficiency way, but it is still challenging to approach. In this work, the block copolymer thin films of polythiophene-b-polylactide (PHT-b-PLA) with ordered nanodomain structures will be assembled on the conductive substrate surfaces. After the degradation of PLA, nanoporous PHT thin films will be obtained. Using the nanoporous PHT thin films as template and also the electron donor component, and graphene quantum dots （GQDs） or (6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) as electron acceptor, the photovoltaic thin films with BHJ structures will be assembled and their structures, properties, and the formation mechanism of BHJ will be studied systematically. We speculate that the results will be benefit to both the basic research on photovoltaic devices and their practical applications.

如何有效提高本体异质结有机（高分子）薄膜太阳能电池的光电转换效率是相关领域亟待解决的一个科学难题。调控薄膜中纳米畴结构的组装，获得具有有序纳米畴结构的光伏功能薄膜被认为是解决这一难题的有效途径之一，也是当前有机光伏薄膜材料和器件研究领域的一个挑战。本项目拟在充分研究嵌段共聚物薄膜中纳米畴结构形成机理等相关科学问题的基础上，首先在导电基底材料表面上组装具有有序柱状纳米畴结构的聚噻吩-聚乳酸薄膜；然后选择性地降解聚乳酸获得具有有序纳米孔状结构的聚噻吩薄膜；最后，以纳米孔状聚噻吩薄膜（电子给体）为模板、石墨烯量子点(GQD)和[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯（PCBM）等为电子受体组装具有排列有序、取向单一（垂直于导电基底表面）的柱状纳米畴结构的光伏功能薄膜，并对其纳米畴结构、光学/光伏性质及构效关系等进行深入研究，为开发具有实际应用价值的有机光伏功能薄膜和构筑高效薄膜太阳能电池奠定基础。

有效地调控有机薄膜太阳能电池中电子给/受体之间的微相分离并最大限度促进本体异质结（bulk heterojunction, BHJ）结构的形成被认为是提高其光伏特性的有效途径之一。本研究项目旨在调控由聚噻吩（P3HT, Poly 3-hexyl thiophene）和石墨烯量子点（GQDs）所组装而成的光伏功能薄膜中的本体异质结结构的形成并研究其光伏特性。在项目实施过程中，我们在高品质GQDs制备、分离提纯、表面功能化修饰；光伏功能薄膜设计、制备、微结构调控；光伏电池结构设计、组装、性能测试等方面开展了系统的研究工作，并取得了一定的成果。实现了基于氧化石墨烯光辅助费顿反应的GQDs的连续宏量制备，利用电泳分离法、凝胶柱状层析法分离出一系列的具有不同二维尺寸、高荧光量子产率的GQDS。完成了GQDs的可控还原、表面功能化处理，获得高荧光量子产率及高电子迁移率的，可用于光伏和光电子器件构筑的高品质GQDs。以所制备的GQDs，P3HT，PCBM为活性物质组装了多种光伏功能薄膜，并对其中的微相分离以及畴结构的形成进行了调控研究，已获得本体异质结结构。设计并构筑了正置和倒置两种结构的薄膜太阳能电池，并系统研究了其光伏特性，发现对于二元结构的ITO/ZnO/P3HT:GQDs /MoO3/Ag薄膜太阳能电池，其光电转化效率为0.17 %，对于三元结构的ITO/ZnO/P3HT:PCBM:GQDs /MoO3/Ag薄膜太阳能电池，光电转化效率可达3.23 %。