高效稳定大面积聚合物太阳电池材料的设计合成与应用

Polymer solar cells have attracted lots of attentions in the past a few years. The power conversion efficiency (PCE) has been boost up to over 10% through designing electron donor-acceptor (D-A) units which are alternately distributed along the conjugated polymer chains. However, the device performance sharply decreases at elevated temperature(>80 ℃)even for a few minutes, which significantly limits its real application. It is urgent to design and synthesize conjugated polymers for high-performance device with improved thermal stability.Here we propose a new strategy for designing new conjugated polymers by introducing different p-conjugated side chains to the typical electron deficient units of Thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (TPD)and Thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (BTI). A series of low band-gap conjugated polymers will be synthesized by incorporating alkylated TPD and BTI units with typical electron rich units, such as thiophene, dithiophene, benzodithiophene, dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole, cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophen, benzo[2,1-b:3,4-b′]dithiophene, and so on. These new low band-gap polymers will be used to investigate the effects of p-conjugation on the key parameters of the materials, e.g. energy level, hole mobility and device efficiency. The thermal stability of the device will also be systematically studied to evaluatethe effect of p-conjugation on the key device parameters, which will guide the designing and synthesizing new conjugated polymers for high performance and thermally stabile devices.These new designed and synthesized polymers will be employed to fabricate large-area solar cells module with improved thermal stability,which will accelerate the real application of polymer solar cells.

在近几年聚合物太阳电池研究中，通过设计合成新型富-缺电子单元交替的窄带隙共轭聚合物，小面积器件的光电转化效率已经突破10%。然而目前，绝大部分高效率材料制备的太阳电池器件热稳定性较差，在较高温下（如80 ℃）器件效率会急剧下降，从而限制了太阳电池的实际应用。如何通过分子设计合成出高效且热稳定的光伏材料是推动聚合物太阳电池向实用化进程迈进的重要一步。本项目从分子设计出发，在经典的TPD和BTI缺电子单元上引入含有不同个数F原子的共轭侧链，设计合成一系列缺电子单元。通过选择不同的富电子单元与之进行共聚，研究不同共轭侧链的引入对聚合物的能级结构、空穴迁移率和器件热稳定性的影响。研究器件效率热稳定性与分子结构之间的关系，为新材料的设计合成提供理论指导。以期突破热稳定性对电池应用造成的局限，为高效稳定的大面积聚合物太阳电池模组制备奠定基础。

聚合物太阳电池，具有轻、薄、柔和可溶液加工的特点，具有广泛的商业化应用前景。然而，实验室的小面积聚合物太阳电池不能完全满足实际应用的需求，发展大面积聚合物太阳电池制备技术和活性层形貌的热稳定性技术，是实现聚合物太阳电池商业化应用必经之路。因此，本项目主要通过分子结构设计和给受体匹配提高活性层形貌的热稳定性并发展新型高效有机太阳能电池模组制备技术。主要的创新点和结论如下：.（1）首次发现了材料的氟取代与区域等规的协同效应对器件稳定性的影响。以经典的BDT类为基本骨架，设计合成了不同氟原子数目的材料PF0、PF1和PF2。在100°C高温条件下热退火720 h，器件效率都能维持初始的90%以上。器件稳定性顺序为PF2>PF0>PF1。证明双氟取代以及区域等规的PF2具有最强的形貌热稳定性。.（2）系统研究了不同烷基链取代位置对器件稳定性的影响。设计合成出新型共轭聚合物PF-2F和PF-TO。PF-2F在100ºC条件下热退火30 d，相比于初始值下降了45%，而PF-TO相比于初始值下降了13%。表明PF-TO相的互穿网络结构具有更好的耐热性能，使得活性层形貌具有更好的热稳定性。.（3）为了改善最具应用潜力的非富勒烯有机太阳电池的热稳定性，将氟原子引入到ITIC侧链苯环上，合成受体材料oF-ITIC和mF-ITIC。相比ITIC器件，mF-ITIC器件的热稳定性明显提升；oF-ITIC器件热稳定性明显变差（将活性层置于150 oC热台上退火96 h，mF-ITIC、ITIC和oF-ITIC器件的光伏效率分别下降了8%、18%和33%）。表明非富勒烯小分子受体的结晶性和给/受体材料间的相容性协同影响了活性层的热稳定性，为高效、稳定的PSCs提供了一种新的分子设计策略。.（4）通过给受体合理匹配实现器件效率超过11% As-cast器件，该器件对光敏层厚度变化不敏感，当光敏层厚度从70nm增加到350nm，器件效率能够保持在9%以上，满足大面积加工的需求。通过激光模板化技术将模组的几何填充因子提升到90%以上，同时模组电池器件效率能够保持模型器件效率的80%左右，实现非富勒烯体系的实验室器件向模组器件的成功转化。