高效叠层聚合物太阳电池的关键界面特性及调控研究

The mismatch between the polymer absorption spectra and solar irradiation spectra, as well as low carrier mobility and short exciton lifetime of polymers are key bottle-necks for performance enhancement. Tandem polymer solar cells (PSC) can utilize solar irradiation through front and back subcells with complementary absorption. Tandem devices can achieve wide range absorption and high efficient conversion, and it is an excellent approach to reduce energy loss and improve power conversion efficiency (PCE). The PCE of the tandem PSCs is highly related to the selection and the properties of interfacial materials. Therefore, from the viewpoint of interface science and engineering, this project proposes to investigate the interface properties and its fine tuning approaches in tandem PSCs. Selecting alcohol soluble metal chelate as electrode interface layer and middle recombination electrode, investigate the interaction between the interface materials and the electrodes as well as middle recombination electrode, investigate the charge carrier transportation processed from metal electrode or conductive substrate to the photoactive layer, investigate the recombination electron process within the middle electrode. Selecting polymer with complementary absorption spectra as electron donors in top and bottom subcells, optimizing the contact properties at the electrode interfaces, realizing current and energy level match, and ultimately realize high efficient tandem polymer solar cells.

聚合物光伏材料的吸收光谱与太阳光谱的不匹配，以及载流子迁移率低、激子寿命短等因素是制约聚合物太阳电池效率提升的瓶颈。叠层结构聚合物太阳电池可通过前后子电池互补吸收太阳光，可实现宽光谱吸收和高效转换，是降低能量损失，提高光电转换效率的有效途径。叠层结构太阳电池的效率严重依赖于电池中界面材料的选择和关键界面的特性。因此，本项目拟从界面科学与工程的角度，对叠层结构聚合物太阳电池的关键界面特性及调控加以研究。选择醇溶性的过渡金属螯合物作为电极界面修饰层及中间复合电极，研究界面材料与导电基底、金属电极或活性层之间的相互作用方式；研究载流子从导电基底或金属电极经界面材料向光电活性材料的传输过程；研究中间电极处电子空穴复合的微观电子过程。选择具有互补光谱的共轭聚合物为顶、底电池的活性层，优化电极界面的接触，实现子电池的电流匹配与能级匹配，最终实现高效的叠层结构聚合物太阳电池。

叠层结构太阳电池因可以利用前后结子电池实现光谱的互补，大幅提升对太阳光的利用效率，可以超越单结电池中的理论极限，因此是太阳电池中备受关注的器件结构。聚合物叠层结构太阳电池因其前后子电池均采用溶液加工，因此对中间复合电极提出了非常高的要求。中间复合电极必须具有足够的抗溶剂能力，以保护前结子电池不被破坏。同时，复合电极还必须具备良好的电子空穴抽提能力，使前后结的电子空穴完全复合，从而形成良好的欧姆接触，使前后子电池没有电压损失。因此，对聚合物叠层太阳电池中关键界面的特性及调控展开相关研究，将极大的促进叠层电池结构的完善，有利于电池效率和稳定性的进一步提升，从而加速有机电池进入实际应用。项目实施过程中，我们从界面科学与工程的角度出发，选择醇溶性的过渡金属螯合物作为电极界面修饰层及中间连接电极，研究了界面材料与导电基底、金属电极或活性层之间的相互作用方式；研究了载流子从导电基底或金属电极经界面材料向光电活性材料的传输过程；研究了中间电极处电子空穴复合的微观电子过程。选择具有互补光谱的共轭聚合物为顶、底电池的活性层，优化电极/活性层界面的接触，实现了子电池电流的匹配，最终实现了效率为14.9%的聚合物叠层太阳电池，顺利完成了既定目标。在项目的资助下，发表SCI论文44篇，申请发明专利5项，培养博士生5名，硕士生5名。