用于高性能有机太阳电池的醇溶液可加工电子传输层的制备新方法研究

Fabrication of high-performance alcohol-processible electron transporting layer (ETL) is a key issue to achieving high-efficiency, stable, and flexible organic solar cell (OSC) modules. However, finding ETL materials with high electron conductivity is yet a big challenge. Recently, scientists found that the in-situ n-doping or usage of photoconductivity is effective ways towards fabrications of ETL materials with high electron conductivity. Unfortunately, these materials required complex organic synthesis procedures. Very recently, we have found that a feasible way to high-performance ETL materials. As N719 was blended with a C60 ionic derivative, the re-arrangement between these two compounds allowed the fine-tuning of the work function (WF) of the Al electrode between -3.3 eV and -3.9 eV, by which the WF of the Al electrode approached the most to the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the acceptor materials. Improvement of the ohmic contact between the active layer and the electrode afforded 11.5% efficiency, one of the top values achieved so far in OSCs. On basis of these approaches, in this project we will synthesize a series of organic dyes with strong absorption in the UV-Near IR region. Then we will select two or even more dyes and blend them together, study the fine-tuning of the WF of the metal electrode and the improvement of the electrode conductivity with the photoconductivity. By these studies, our goal is to find new blended ETL materials with improved electron conductivity of >10-3 S/cm and increase of the OSC efficiency of > 11%.

制备醇溶液可加工的高性能有机电子传输层是获得高效率-高稳定性-柔性大面积有机太阳电池的关键之一，然而，电子导电率低下，始终是困扰高性能电子传输层制备的关键因素。面对这个挑战，科学家结合n-掺杂或者光导概念，发展了高效高电子导电性的富勒烯、n-型聚合物电子传输层。尽管如此，太阳能电池的进一步发展依然在呼唤新材料体系和新制备方法的出现。最近，我们发现，共混两组份传输层材料间的离子对重组是制备高性能、醇溶液可加工的电子传输层材料的一个新方法。本课题提出，合成在可见-近红外区有强吸收的有机盐染料，将可发生离子对重组的双/多组分染料组合，研究离子对重组对电极功函数的精准调控、研究光导效应对电子导电性能的提升作用。通过多组份材料的组合研究，发现可以协同提升电池性能的新组合体系，发展电子电导率高于10-3 S/cm的高性能电子传输层的制备新方法，研制光电转换效率高于11%的有机太阳电池原型器件。

设计制备醇溶液可加工的电子传输层材料是研制高性能有机太阳电池的一个关键问题，本研究将前期发现的N719:PrC60MAI双元共混小分子电子传输层材料应用于由结构不同的活性层材料制备得到的二元、三元和四元共混有机太阳电池，和使用单组份电子传输层材料相比，使用双元共混电子传输层材料制备的有机太阳电池的效率均得到超过10%的提升，稳定性也得到了提高，最终获得了11-14%的转换效率，说明该双元共混电子传输层材料具有一定的普适性。在此基础上，研究发现了N719与四苯基溴化膦（QPhPBr）及其衍生物、QPhPBr和苝二酰亚胺衍生物（PDINO）或八羟基喹啉铝（Alq3）等多个二元共混小分子电子传输层材料体系，这些体系应用于富勒烯及非富勒烯有机太阳电池，均可以取得比单组份电子传输层更高的电池性能，获得了10%-12%的电池效率。结合导电原子力显微镜，初步研究了PDINO、N719和PrC60MAI等结构不同的小分子电子传输层材料及其组合在强度不同的光照条件下的光导性能。将研究扩展，创造性地将超分子化学中的主客体概念，拓展到有机光伏领域，提出了“电压提升”的三元电池设计策略，解决了第三组份的引入引起电压下降的问题。该策略中，通过引入比主受体材料的LUMO能级更高、而结构相似的客受体分子，在有效提升电池开路电压的同时，通过主客受体分子间的协同作用，不仅很好地保持了主二元材料的给受体纳米相分离结构和堆积方式，更可以进一步优化薄膜形貌，达到提升电池填充因子甚至短路电流的目的。在此基础上，设计合成了一系列具有高LUMO能级的客受体分子，应用于电压提升的三元策略，不仅验证了该策略的普适性，更通过带隙的调节，同时获得电压-电流甚至填充因子的同时提升，获得了13-18%的转换效率。基于fs-超快技术，观察到富勒烯和非富勒烯客受体调控主给受体间的超快空穴转移动力学的不同机制。上述结果有利于促进醇可加工的电子传输层材料的设计制备和深入理解多元共混体系中客受体对光电转换动力学过程的调节机制。