面向大厚度高效聚合物光伏器件的活性层形态结构和载流子复合的调控

Commercialization of the organic solar cells requires to achieve high efficient devices with uniform thick active layers. Optimum morphology of active layer in polymer photovoltaic cells is a prerequisite to realize efficient electron transfer、suppress charge recombination and enhance the device efficiency. In this program, we will investigate the high efficient polymer photovoltaic blend materials (PTB7: PCBM). A series of effective physical routes will be applied to manipulate the nanoscale morphology of the blend films with various thickness. The morphology will be quantitatively analyzed at multiple length scale. The physical processes such as charge separation/transfer, excited states characteristics will also be monitored on nanometre spatial and ultrafast temporal scale quantitatively. A precise picture of how microstructure influences charge recombination in polymer photovoltaic blend films will be proposed, as well as design principles of optimal morphology to achieve efficient charge separation and suppress charge recombination will be introduced. This work will pursue an alternative avenue and experimental evidence to facilitate the design of more efficient polymer materials and polymer solar cells with thick active layers.

实现高效率大厚度聚合物光伏器件是推动有机太阳能电池产业化的必要条件，器件中活性层的最佳形态结构是实现有效电子转移、抑制载流子复合和提高器件效率的关键。本项目以当前最高效聚合物光伏材料（聚苯并二噻吩（PTB7）和富勒烯衍生物的共混物）为模型，采用多种有效物理途径制备具有多样化纳米量级微结构的不同厚度共混薄膜，通过调控微纳结构研究光伏共混薄膜的载流子复合机制，定量观测分析共混薄膜的多尺度微纳形态结构，在超快时间尺度和纳米空间尺度上解析这些聚合物光伏共混材料中的局域电荷转移/分离、激发态特性等物理现象和过程，判定有利于实现电荷分离、抑制载流子复合的最佳异质形态结构，获取大厚度高效有机太阳能电池原型器件。本项目的研究成果将为实现大厚度高效聚合物太阳能电池器件和指导新型光伏材料的设计提供新的思路和实验依据。

太阳能作为一种取之不尽的新能源，是解决能源危机的重要方法。其中，有机太阳能电池由于其具备质轻价廉、可柔性等优势而具有巨大的发展潜力。考虑到聚合物中较低的激子扩散长度（4-20 nm）等因素，有机光伏中光活性层的传统厚度为100 nm左右，较大的厚度会严重加剧载流子的复合并降低器件性能。然而100 nm的厚度不利于大面积的商业化印刷生产。因此，实现高效率大厚度聚合物光伏器件是推动有机太阳能电池产业化的必要条件。.在有机光伏的研究中，改善活性层的微纳结构是影响性能的关键。厚度的增加必然会改变微纳结构。因此，优化活性层形态是实现高效厚膜器件的有效途径。在本项目中，采用不同的有效途径调控活性层内的微纳结构，并制备出多种形态不同厚度的活性层。基于同步辐射及高精度显微技术定量观测共混薄膜的多尺度微纳形态结构；利用超快光谱技术在超快时间尺度和纳米空间尺度上解析这些聚合物光伏共混材料中的局域电荷转移/分离、激发态特性和复合现象等物理过程。通过上述研究内容，得到有利于实现电荷分离、抑制载流子复合的最佳异质形态结构，最终实现高效厚膜有机太阳能电池器件。.本项目的重要结果和关键数据如下：.1. 以PCDTBT作为第三元材料掺杂进PTB7-Th：ITIC中制备三元有机太阳能电池。发现双能量传递效应共存于同一体系中，并且PCDTBT有调控活性层的吸收光谱、微观形貌、载流子迁移率的作用。最后将器件效率提高了15%。（Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 12120-12130）.2.对于非富勒烯体系，PCBM能够优化体异质结中材料的垂直相分布，有利于电荷转移和电荷传输，对于能量损失有很好的抑制作用。 (Nano Energy，2018,46,81-90)。.3.将新型的功能化氧化石墨烯P-GO掺杂到PTB7:PC71BM有机光伏体系中。发现1%的P-GO提高了PTB7的结晶性，实现了更有效的电荷解离、更低的双分子复合和更高的空穴迁移率。最终在250 nm下将器件性能提高了34%。（The Journal of Physical Chemistry Letters，2018,9(21),6238-3248）.本项目的研究成果将为实现大厚度高效聚合物太阳能电池器件和新型光伏材料的设计提供新的思路和实验依据，加快了有机光伏的产业化发展。