一种快速且非接触式的有效器件性能优化方法：应用于异质结有机光伏电池

Solution-processed organic photovoltaic (OPV) has attracted remarkable attention due to their intrinsic advantages, such as mechanical flexibility, light weightedness, low cost and so on. Different types of bulk heterojunction (BHJ) solar cells based on various photoactive layer systems, including fullerene systems, non-fullerene systems, multicomponent system, inorganic materials doped system, carbon allotrope system, nanoparticle-assembly-based system and crosslinked network system, have been designed and developed for commercial applications. Recently, amounts of organic materials and many processing treatments are designed and introduced to the OPV field for mass production of high-efficiency devices. Yet, optimization of materials as well as their blend morphologies is still a significant challenge. This is carried out with a herculean workload of complete device fabrication and characterization runs, taking a lot of time and effort. With this project, we want to verify and develop this figure of merit (FOM) method as a universal tool giving us the ability to quickly and effectively predict the optimized processing parameters. The idea is to solely test the PL properties and evaluate the FOM values and, in doing so, gain information about optimized preparation conditions of the high photovoltaic properties. Thus, seven types of solar cells will be introduced to evaluate the reliability and of FOM strategy. As expected, utilizing PL single as well as the relevant FOM values allows reasonably precise efficiency predictions, and improve significantly the field development and rapid resolution of key issues in OPVs.

溶液可加工的有机光伏电池因其具有柔性、重量轻、价格低等优点而备受关注。为了满足商业应用需求，不同本体异质结材料体系的太阳能电池被设计开发:主要包括了富勒烯体系、非富勒烯体系、多组分光伏体系、无机材料掺杂体系、碳同素异形体体系、纳米颗粒体系和交联网络体系。虽然大量的光伏材料和处理工艺被设计并应用于有机光伏领域，但是材料及其活性层形貌的评估与优化仍然是一项巨大挑战，通常需要花费大量的时间和精力来制备完整的光伏器件并进行详细的性能表征。本项目中申请人将证实和发展一种品质因数（FOM）方法，使其作为一种通用的工具来帮助我们快速且有效地预测优化工艺参数。这个想法是单独地测试光伏材料及其体系的光致发光性能来评估FOM值，并分析得到相关的优化工艺条件而不需要完整的器件制备与表征。七种不同活性层体系将被引入评估该策略的可行性，期待利用FOM技术允许合理的预测电池效率，促进该领域的发展和关键问题的快速解决。

溶液可加工的有机太阳电池因其具有柔性、重量轻、价格低等优点而备受关注。由于新的给体和受体材料以及新颖的光伏体系的开发，目前有机太阳电池的能量转换效率已经查过18%。可以预见，新材料和新体系将会不断涌现；另外，成千上万的掺杂材料，添加剂以及大量的加工处理技术将被设计开发，用以提升有机太阳能电池的能量转换效率和稳定性能等。然而，光伏材料的形貌优化、器件表征与性能评估是一个巨大的挑战，通常需要占用研究人员大量的工作时间与项目经费来制备完整的器件并对光伏材料效率和稳定性进行详细表征。本项目的研究工作主要包括了以下几点：1）搭建PL和EL测试平台，验证FOM1技术在富勒烯光伏体系中的应用；2）基于非富勒烯光伏体系和多组分光伏体系的特点，进一步发展并验证了FOM技术；3）进行FOM技术集成与优化，使FOM方法能够有效评估各类高性能非富勒烯光伏体系。.在前期的基础上，我们已经搭建了一套光致发光和电致发光（PL-EL）组合设备。在PM6:PCBM富勒烯体系中，通过调节给受体比例和热退火时间，验证了FOM1方法可以有效的评估光伏体系效率和热稳定性。针对非富勒烯体系，我们在FOM1公式的分母中引入IA参数，发展了一种新的FOM2方法。通过PM6:IT-4F和PM6:Y6体系给受体比例和热退火时间的调节，我们进一步验证了FOM2方法的有效性和普适性。此外，我们通过在非富勒烯二元体系PM6:BTTT-2Cl引入第三组分PZ1作为添加剂，发现FOM2方法可以有效地评估添加剂的计量对活性层形貌效率和热稳定性的影响，进一步证实了FOM2方法在添加剂体系或者三元体系中的应用。因此，我们本项目的工作证实和发展了一种品质因数（FOM）方法，使其能够作为一种通用的工具来帮助我们快速且有效地预测优化器件工艺参数和活性层的热稳定性。相关的研究工作证实了FOM技术可以有效实现光伏体系效率和热稳定性的快速评估和筛选，能够促进该领域的发展和关键问题的快速解决，具有巨大的应用前景。