叠层有机太阳能电池中间层界面偶极的精细调控与性能研究

Benefiting from the ability to manufacture large-area and flexible devices by solution processing, organic solar cells have become a promising photovoltaic technology these years. Due to fully using the solar spectra, organic solar cells based on tandem architecture show greater potentials in realizing higher power conversion efficiencies (PCE) than in single-junction devices.To further improve device performances, in this project, we propose a conceptual study for full -dipole-assisted interconnecting layers for better photoelectricity and processing properties in organic tandem solar cells. Based on a variety of bulk heterojunction (BHJ) materials, we aim to develop a general understanding on the relationships among molecular structures, aggregation behaviors, doping conditions, processing procedures and the dipole moments in full-dipole-assisted interconnecting layers. On this basis, we expect to achieve highly-efficient tandem organic solar cells using the full-dipole-assisted interconnecting layer strategy.

有机太阳能电池由于具有可溶液加工、可制备成大面积柔性器件的特点，已经成为一项十分有潜力的光伏技术。得益于高效利用太阳光谱的能力，采用多重活性层代替单一活性层以充分利用太阳光的叠层有机太阳能电池表现出取得较高光电转化效率的潜力。为了进一步提高器件的光电转化效率，本项目拟将界面偶极引入叠层有机太阳能电池中间层中以改善中间层的光电性能与加工性能。拟结合子电池活性层材料的性能，研究中间层材料化学结构、聚集态结构、掺杂条件、化学环境及加工方法与中间层界面偶极矩之间的关系，并利用界面偶极制备高性能中间层，以获得高效率叠层有机太阳能电池。

本项目严格按照任务书中的研究计划执行，并根据领域发展趋势及时拓展研究内容。系统地将界面层的问题划分为活性层/界面层界面、界面层内部及界面层/电极层界面三个方面，利用有针对性的研究手段分析了界面层化学组成、机械结构与以上三方面问题的关联；此外，独立成功开发出连续调控界面层表面自由能的方法，并系统研究了界面层表面自由能对活性层成膜过程、形貌的影响，并使用该方法取得了十分出色的填充因子和光伏效率；此外，基于活性层性能优化，研究了制约多种活性层材料光生电荷性能的损耗机制。具体内容如下：.细致调控界面层性能并系统研究了不同界面层的工作机理（Adv. Mater. 2018, 1801801）。本项工作的核心在于开发了能够有效连续调控界面层表面自由能的方法，将氧化钨纳米粒子与PEDOT：PSS共混，制备了WOx：PEDOT：PSS阳极界面层。通过调节WOx的加入量，实现了通过调控界面层表面自由能来调节活性层形貌，并取得了具有权威认证的优异光伏性能（开路电压0.87V，短路电流20.74mA/cm2，填充因子80.79%，光伏效率14.57%）。该结果为当前单结有机太阳能电池经权威认证的最高纪录。此外，在以生物分子制备界面层方面取得了一定的研究成果（Nano Energy，2018，50，169-175）。该工作调节了生物分子α-PLL的加工性能，成功将其直接制备成阴极界面层并取得了良好效果。同时系统地将界面层的问题划分为活性层/界面层界面、界面层内部及界面层/电极层界面三个方面，利用有针对性的研究手段分析了界面层化学组成、结构与以上三方面问题的关联。最后，通过全面的表征手段证明了α-PLL与活性层受体之间有效的掺杂机制，以及由此产生的良好电荷收集性能。制备了高效率叠层有机太阳能电池，光电转化效率达到19%。研究成果在高水平SCI 期刊上发表论文5篇。