低能量损失有机太阳能电池电荷产生机理及材料设计的研究

Organic solar cells have great potential in practical applications due to its advantages like low-cost, lightweight in larger area flexible panels. Reducing the energy losses (Eloss) in charge generation process is of great importance in boosting the power conversion efficiencies (PCEs). The past years have seen the rapid progresses in the development of organic photovoltaic materials, especially for the new emerging non-fullerene acceptors, and many OSCs achieved very good photovoltaic performance at low Eloss. However, the studies about charge generation mechanics are far lagging, becoming a big obstacle for the further material design. In this project, we propose to study the charge generation mechanics of OSC at low Eloss and thus assist the material design. We plan to study the influence of intermolecular push-pull effect on the molecular dipole, electrostatic potential, and exciton delocalization. Then we will design and synthesize a few series of new materials including polymer donors and small molecule non-fullerene acceptors, excepting the resulting OSCs can obtain over 15% PCE with Eloss blow 0.5 eV.

有机太阳能电池（OSC）可以采用低成本的方法制备轻质、柔性的大面积面板，具有广阔的应用前景，降低其电荷产生过程中的能量损失（Eloss）对提高能量转换效率（PCE）具有重要的意义。随着光伏材料体系的发展，特别是近几年来非富勒烯受体材料的应用，许多OSC在较低Eloss条件下具有高效的电荷产生，获得了优异的性能，但是其机理并不清晰，不能指导材料的进一步设计。在本项目中，我们建议通过实验和理论相结合的方法，通过研究分子内推、拉电子作用对分子偶极、静电势和激子离域特点的影响，结合基于不同材料体系OSC性能的分析，探索OSC在低Eloss下电荷产生的机理。通过研究不同Eloss特点的分子结构与OSC性能的构效关系，获得具有低Eloss特点光伏材料的设计规律。另外，我们将制备一系列的聚合物给体材料和非富勒烯受体材料，期望基于这些材料制备出Eloss在0.5eV附近，PCE大于15%的OSC。

近年来，随着新材料的应用，有机光伏电池在给受体能级齐平下，依然展示了高效的电荷生成效率，如何理解这一现象并发展低能量损失新材料的设计方法对进一步提高效率至关重要。该项目的研究内容主要包括有机光伏电池材料设计及高效率器件制备。在项目支持下，我们研究了光伏材料分子静电势的调控方法以及分子间静电场作用对电池中电荷生成及复合过程的影响机制，提出了低能量损失新材料的设计策略：精细地调控分子静电势，在满足高效电荷生成的前提下，降低非辐射复合损失，这为进一步设计高效率材料提供了新的突破点。在此基础上，我们设计制备了多种聚合物给体和非富勒烯受体材料体系，将有机光伏电池的效率从项目执行初期的13%左右提升到如今19%，我们制备电池的效率是当前领域内最高值，该结果也得到了国家计量研究院第三方机构的认证。基于该项目，我们发表了多篇论文，包括Adv. Mater. 9篇、Angew. Chem. Int. Ed. 2篇、J. Am. Soc. Chem. 1篇，等等。