有机薄膜光伏器件的印刷制备及活性层形貌调控

Organic thin film photovoltaic devices based on non-fullerene acceptor have received much attention in recent years. Compared with spin-coating, printing fabrication is more suitable for commercial use. At the same time, these two methods are completely different in physical nature, especially in the morphology control and its photoelectric conversion process. In addition, for the morphology of active layer, such as material crystallization, phase separation and interface orientation are still no law of formation, which needs further research and discussion. This project takes the organic photovoltaic device and film morphology as the research object. Utilize the printing fabrication to explore the influence of the processing technology on the morphology of the active layer. This study will use atomic force microscopy, near-field optical microscopy, transmission electron microscopy, grazing incidence X-ray scattering and resonant soft X-ray scattering to investigate the morphology of the film. In-situ X-ray scattering method was used to consider the formation process of non-equilibrium morphology of blend films. By understanding the physical processes of the devices from physical characterization, and combining the morphological framework, the structure-effect relationship of the micro-nano structure of the films and the device performance will be constructed. To guide the printing fabrication of high-efficiency thin film photovoltaic devices and lay the foundation for large-scale continuous fabrication of organic photovoltaic devices.

基于非富勒烯材料的有机薄膜光伏器件近年来备受关注。与旋涂加工相比，印刷加工方式更适合商业化的推广使用。同时，二者在物理本质上截然不同，特别是在形貌控制及其对应的光电转化过程。此外，对于活性层形貌细节，如材料结晶、相分离程度、界面取向等仍没有形成固定的规律，亟待深入的研究和探讨。本项目以有机光伏器件和形貌为研究对象，结合印刷技术，探究加工工艺对光吸收层形貌的影响。研究拟采用原子力显微镜（AFM）、近场光学显微镜（SNOM）、透射电镜（TEM）、掠入射X射线散射（GIXD）和共振软X射线散射（RSoXS）等手段深入研究薄膜形貌细节。利用原位X射线散射（in situ GIXD）方法探究共混膜非平衡态形貌的形成过程。通过对器件物理的表征理解相关物理过程，并结合形貌框架，构建光吸收层薄膜微纳结构与器件性能的构效关系，指导高效薄膜光伏器件的印刷制备，为后续有机光伏器件的大规模连续制备奠定基础。

近年来，有机光伏领域因新型非富勒烯受体材料的开发而迅速发展，器件光电转换效率已超过19%。由于有机半导体中光生激子的本征物理特性，以及有机半导体薄膜较低的迁移率，本体异质结形貌一直是影响器件性能的关键因素。本项目研究了有机薄膜光伏器件的印刷制备，尤其是针对光吸收层形貌演变的原位表征；同时针对新型Y6类受体，细致研究了这类受体的薄膜组装方式与形貌调控方法并用于构筑高效率器件，取得的主要研究成果如下：（1）采用狭缝涂覆方式印刷制备了基于全聚合物体系（PTzBI-Si:N2200）的有机薄膜光伏器件，同时结合狭缝涂覆与同步辐射GIWAXS/GISAXS技术，研究了光伏薄膜形貌形成动力学，建立了形貌结构与器件性能的构效关系。（2）高效率有机薄膜光伏器件的设计及光吸收层形貌、器件物理研究。解析了Y6分子的单晶结构和组装方式，揭示了Y6类受体中载流子的类聚合物传输机制。通过综合调控光伏活性层薄膜的电子结构与形貌结构，实现了器件基本物性的协同优化，首次获得效率超过18%的有机薄膜光伏器件，并利用结构相似性，构筑了基于Y6:Y6-BO的窄片层晶体堆积结构，实现了光伏器件的电流放大。利用双纤维网络策略平衡给受体端激子与载流子的传输，实现了活性层形貌特征尺度与核心光物理参数良好匹配和光伏器件性能的重大突破，为目前单结有机光伏最高效率（19.6%，第三方权威机构认证效率为19.2%）。相关研究成果共发表SCI论文20篇。