半透明有机太阳能电池给受体材料的设计合成

Semi-transparent organic photovoltaic (ST-OPV) is a solar energy conversion technology with significant application potential, which can be widely integrated into buildings, cars and other carriers. Currently the power conversion efficiency (PCE) of the best opaque OPV is over 14%, with the development of non-fullerene electron acceptor. For the best ST-OPV, Xiaowei Zhan group in Peking university recently reported a PCE over 10%. Different from opaque devices, ST-OPVs also pursuit the visible light transmittance, chromaticity coordinates (typically CIE index), colour rendering index (CRI), as well as the PCE. In addition, solution processing technology generally requires an active layer thickness of greater than 200 nm. These requirements of ST-OPVs raise more challenges in designing and synthesizing high performing donor and acceptor materials relative to those in opaque OPVs. Under this situation, our group proposed through a ternary D-A type molecular design strategy, supplemented by other effective means to effectively tune the absorption spectra, energy levels and carrier mobilities, and finally obtain high-performance translucent donor and acceptor materials for ST-OPV devices.

半透明有机太阳能电池是一项具有重大应用潜力的太阳能转化技术，可以广泛地集成在建筑物、汽车等载体上。目前的常规不透明有机太阳能电池在非富勒烯受体领域取得重大突破，器件能量转化效率超过了14%。基于非富勒烯受体的发展，最近北京大学占肖卫教授课题组报道的半透明有机太阳能电池能量转化效率突破了10%。然而，与常规器件不同，除了能量转化效率，半透明有机太阳能电池还追求可见光透过率、自然光指数、显色指数等参数；同时，卷对卷溶液加工技术一般要求活性层厚度大于200 nm。相比常规器件，这些要求对半透明有机太阳能电池的给体材料和受体材料提出了更高的要求，需要更针对性的材料设计策略以及性能更好的给受体材料。申请人针对半透明有机太阳能电池的现实需求，提出了通过三元D-A型分子设计策略，辅以其他有效手段来有效调控材料的吸收光谱、电子能级以及载流子迁移率，获得高性能的半透明给受体材料。

半透明太阳能电池是指在可见光波长范围内(370-740 nm)具有一定透光度的光电转化器件。采用有机半导体的半透明太阳能电池因为有机共轭吸光材料具有独特的吸收激发特性，可以通过合理的分子设计和化学修饰精准调控吸收光谱，有选择性地吸收紫外和近红外光区的光子进行光电转化，同时在可见光区打开一个窗口，透过可被人以及动植物感知的光子满足正常的生命生产生活需要。除材料本身独特的吸收特性，半透明有机太阳能电池在低成本、大面积、绿色生产、柔性制造等特性上则继承了有机电子的通用优势。获得性能优异的半透明太阳能电池关键在于设计合成具有优异的近红外吸收特性的有机半导体材料。. 在本项目中：1. 我们合成了一类共轭骨架上含有醌式结构的分子，这种分子设计策略可以有效地降低材料的光学带隙获得近红外吸收，同时分子具有很好的平面性，有利于载流子传输。特别是醌式小分子QT末端仍具备化学修饰的可行性，是一个很有潜力的分子骨架用于新窄带隙材料合成；2. 我们发展了一类基于靛红稠合绕丹宁结构的A-D-A型非富勒烯受体分子，这种分子设计策略可灵活地调整中间D单元和末端A单元，便于调节分子的带隙和能级，同时靛红上的取代基可调节分子的溶解性及薄膜形貌；3. 我们基于PM2:Y6-BO体系制备了使用全窄带隙给体受体的半透明有机太阳能电池，实现了可见光透过率超过40%时器件能量转化效率仍然超过6%；4. 我们基于窄带隙全聚合物太阳电池的性能提升提出了两个策略：（1）使用了具备窄带隙、低能量损耗特征的PM2聚合物作为第二给体，提升了原器件的能量转化效率；（2）采用EPPDI固体添加剂是一种普适性地提升N2200全聚合物太阳能电池器件的填充因子方法，提出并验证了可能的机理。. 本项目在新材料设计策略和器件性能提升策略上均有突破，这些成果为将来后续研究做好了铺垫。