通过器件内以P-F，B-F共价键合形成固化p-n结及其在聚合物太阳电池上的应用基础研究

在本申请项目中，我们拟设计合成新颖的主链或侧链含五价磷或三价硼的中性共轭高分子(Polymer)，以及反离子为氟离子的阳离子型共轭聚电解质(PF-F)，采用多层器件组装ITO/PEDOT:PSS/Polymer:PEO:P3HT:PCBM/PF-F/Al，其中P3HT+PCBM为主要的电子给体和电子受体材料，对此器件施以外加电场，驱动聚电解质层（PF-F）中的反离子氟负离子向活性层迁移，和五价磷或三价硼以共价键结合生成六价键磷负离子或四价键硼负离子，撤去外加电场，氟离子因与磷或硼以共价键结合而无法回迁，从而在聚合物太阳电池活性层与聚电解质层之间形成化学键合固化的p-n结。本项目通过精巧的分子设计，利用五价磷或三价硼独特的分子轨道及与氟的反应成键性，在器件内形成共价键P-F或B-F固化的p-n结，目的是改善聚合物太阳电池的短路电流和（或）开路电压，进而提高器件的能量转换效率。

近几年，聚合物太阳能电池凭借其质轻、柔性、器件结构简单以及能够采用低成本的溶液加工方法大面积打印制备等诸多优势而备受关注，很快成为了太阳能电池研究的热点并获得快速发展，将在日常生活、高新技术、国防军工等领域有着巨大的应用前景。但要实现大规模商业化应用仍然有许多问题需要解决，比如光电转化效率还须提高，材料与器件稳定性有待增强，以及大面积制备工艺的研制等。同时有机光伏的基础理论仍处于探索阶段。本项目主要围绕有机太阳能电池能量转换效率较低和稳定性差的关键问题而展开研究工作的，从“新型共轭聚合物给体材料设计与器件工程”两方面协同来提高电池的光电转换效率。在材料设计方面，首先通过理性分子设计构建了多种基于苯并二噻吩（BDT）与苯并噻二唑（BT）的D-A型聚合物，对分子结构与器件性能之间的关系进行了系统研究。结果发现，芳基侧链的给电子能力是调控材料HOMO能级乃至电池器件开路电压的有力手段，对进一步的分子结构设计具有重要的指导意义。其次采用空间位阻较强的环己基代替正己基能显著降低D-A共轭聚合物的HOMO能级同时并不影响其光学带隙，最终获得器件效率的大幅提升，我们初步发展了一种利用空间位阻效应设计高效光伏材料的新策略。此外针对材料的氧化稳定性差，首次对含烷硫侧链的聚合物材料进行了氧化方面的研究，证实了硫醚化合物中硫原子的易氧化特性，对以后材料的氧化稳定性研究提供了新思路。在器件工程方面，首先我们利用聚合物与小分子光谱互补的特性，采用两步法旋涂制备了三组分太阳能电池器件，大幅提高了电池器件效率。此外，针对器件结构中经典空穴传输层材料PEDOT:PSS具有酸性和吸水性等缺点，采用简便的溶液法自主合成了金属氧化物V2O5与WO3分别作为空穴传输层，不仅大幅度提高了光电转换效率，而且极大地增强了器件的稳定性，为进一步的产业化储备了技术基础。.在国家自然科学基金委的项目资助下，使我们在聚合物光伏材料与器件工程两方面均取得了可喜的成绩以及部分原创性成果，实现了可持续地良性发展。