基于有機太陽能電池的光電功能薄膜的可控性生長

有機功能薄膜的形貌結構是影響有機太陽能電池(OPV)光電轉換效率的一個重要因素，為了控制有機太陽能電池中光電功能薄膜的生長及薄膜的形貌，于2010年立項的本項目提出以“結構化”襯底而提高有機太陽能電池的性能概念。國際上在最近幾年，納米結構化有機太陽能電池（nanostructured organic solar cells）得到迅速發(fā)展（2011-2012年，在Advanced Materials 2011, 23, 1810-1828和ACS Nano 2012, 6, 2877-2892上有綜述性論文發(fā)表），本項目探討了以下的技術方法制備結構化的襯底而控制有機薄膜的生長：（1）采用光刻技術在ITO（導電透明薄膜）襯底上制備周期性結構，（2）在ITO襯底上選擇性地制備緩沖層，（3）在ITO襯底上自組裝納米球模板，并以納米球為模板對ITO而進行納米刻蝕。其中，方法（1）沒有達到顯著提到有機太陽能電池的性能，這可能是由于所制備的周期性結構尺寸較大（大約1 微米）；方法（2）采用Sb2O3作為電池的陽極緩沖層，改善了有機薄膜CuPc的生長模式；不同方法（1）的光刻技術，方法（3）采用在ITO上旋涂聚苯乙烯納米球（100 nm）作為刻蝕ITO襯底的模板，從而在ITO襯底上制備了較精細的結構，這結構進一步誘導有機功能薄膜(如P3HT:PCBM)的生長。由于方法（2）和（3）能夠控制有機薄膜的形貌結構，所以能夠較顯著地提高電池的光電轉換效率，分別提高了34%和15%。本項目也探討了在ITO襯底上制備Au納米球，通過表面等離子共振效應（surface Plasmon resonance）而達到提高電池光電性能，光電轉換效率可以獲得10%-20%的提高。同時，本項目對二維納米材料也展開了研究。共發(fā)表被SCI收錄的論文21篇（包括Chemical Reviews（5年期影響因子為42.054）和Nature子刊Scientific Reports各一篇），包括影響因子大于7的4篇；國家發(fā)明專利8項（已授權5項），國際專利2項；培養(yǎng)研究生3名。

高性能的有機光電材料和優(yōu)化的器件結構使有機太陽能電池（OPV）的光電轉換效率在實驗上已達到6.0%，然而與16.0%的理論值相差還很大；其主要原因之一是目前應用于OPV的有機功能薄膜是生長在平滑的襯底上，是沒有控制的無序生長。高度取向的OPV有序薄膜不但可以降低缺陷密度和太陽能電池的串聯(lián)電阻，而且能夠提高載流子的遷移率，從而提高其光電轉換效率。然而，由于有機分子之間以及分子與襯底之間的相互作用都很弱，對有機光電子器件可控性生長高度有序的有機功能薄膜是個巨大挑戰(zhàn)！本項目擬設計、制備新穎的結構化襯底，在此襯底上外延生長具有高度取向的有序的有機光電晶體薄膜，在微納米尺度探討外延生長機制，研究薄膜微觀結構與光電特性關系，揭示影響OPV性能的本質因素，為提高有機太陽能電池的光電轉換效率提供實驗依據(jù)和數(shù)據(jù)積累。

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