高开路电压全聚合物太阳能电池光物理机制研究

The photon energy losses in organic solar cells are about 0.7-1.1eV and they decrease the open-circuit voltage (Voc), and thus limit the efficiency of the polymer/fullerene solar cells. All-polymer solar cells, based on a novel boron-nitrogen (B←N) polymer electron acceptor, have achieved a low energy loss of 0.51eV, and obtained high Voc about 1.0-1.1V, while the power conversion efficiency is mainly restricted by the low short-circuit current density (Jsc) and fill factor (FF). This project is aim to investigate the mechanism of photon energy loss and the process of charge-transfer exciton dissociation of the typical high Voc system by using time-resolved spectroscopy: i) the correlation between the energy of charge-transfer states and the energy levels of B←N polymer acceptors; ii) the limiting factor of charge-transfer exciton dissociation in this typical system; iii) the structure-activity relationship of the B←N acceptor molecular structure, the micro-phase separation and the trap-assisted recombination. Through this project, it would present the probability to understand the mechanism of energy loss and the driving force for exciton dissociation to improve the Jsc and the FF simultaneously, and enhance the power conversion efficiency of all-polymer solar cells.

有机太阳能电池光子能量损失高，为0.7-1.1eV，导致开路电压低，在理论上限制了光电转换效率。基于一种新型电子受体-硼氮聚合物的全聚合物太阳能电池能量损失仅为0.51eV，开路电压高达1.0-1.1V，这为突破有机太阳能电池的效率瓶颈提供了潜在可能，但当前核心限制因素是短路电流和填充因子较低。本项目拟基于硼氮聚合物受体的典型高开路电压体系为研究对象，旨在揭示高开路电压全聚合物太阳能电池中的能量损失机制与激子解离的驱动力的影响因素，具体探索：1）硼氮聚合物受体能级结构与电荷转移态能量的关联性；2）该特征体系电荷转移态激子解离的限制条件；3）硼氮材料分子结构-薄膜微相分离-载流子陷阱辅助复合的构效关系。通过本项目，形成对高开路电压全聚合物体系能量损失机制、激子解离驱动力的理性认识，实现高开路电压体系短路电流和填充因子的同步提升，促进全聚合物太阳能电池能量转换效率的提高。

有机太阳能电池光子能量损失高，并且存在严重的电荷复合现象，限制了相应器件光电转换效率的提升。研究器件中发生的光物理过程，对理解有机太阳能电池能量损失、电荷复合过程至关重要。由于飞秒瞬态吸收光谱可以实时监测材料在光物理过程中所呈现的瞬间结构、状态、运动变化的基元过程，成为研究有机太阳能电池效率损失机制的重要研究手段。.在对基于硼氮聚合物受体的全聚合物太阳能电池的研究中发现，活性层薄膜的形态结构不同会导致薄膜的极化子寿命存在差异，较长的极化子寿命有利于电荷的传输以及收集，相应器件表现出较好的性能指标，能量转换效率从2.61%提升至4.05%；在高效非富勒烯太阳能电池中，薄膜形态结构的差异会影响器件中由电荷复合形成的三线态激子数量，较高的活性层薄膜有序度会限制电荷复合形成三线态激子，进而得12.72%的能量转换效率；在与相应富勒烯体系的对比研究中表明，电子受体的类型以及活性层的有序度不会影响超快的电荷产生速率，而非富勒烯体系中，器件中的空穴转移过程受到薄膜结构及有序较为严重的影响，在富勒烯体系，载流子动力学并未受到明显影响。随着薄膜有序度的提高，所有体系中产生的电荷密度都有不同程度的增加。.基于以上有机光电器件以及薄膜瞬态光物理研究结果，建立了薄膜结构与器件性能之间的构效关系，即薄膜形态结构以及有序度（同种材料通过不同的处理方式形成的、不同材料形成的）的差异带来的对薄膜光物理过程的影响，以及最终对器件结果的影响。通过该研究工作的开展，不同结构有机太阳能电池中的各个基元过程得到更清晰的认识，相当于打开了器件能量损失机制的黑盒子的一扇窗，这对指导有机光电材料的合成、薄膜的加工以及理解器件中能量损失机制都有重要意义。