聚合物太阳能电池垂直空间组分分布的多角度调控及高效率器件制备

Polymer solar cells hold a promising future as flexible and portable solar chargers, as well as electricity producer. This project aims at preparing high performance polymer solar cells via the multi-approach tailoring of vertical component distribution in the photoactive layer. Fluoronated and aromatic organic molecules will be synthesized as additives to modify the surface free energy of the electron acceptors, including fullerene derivatives and fused-ring electronic acceptors like ITIC. The solvents and film-formation conditions during solution casting will be designed and manipulated as part of the multi-approach to tailor the vertical component distribution. Neutron scattering, X-ray photoelectron spectroscopy and spectroscopic ellipsometry will be employed as a combinational approach to characterize the vertical component distribution. Synchrotron X-rays will also be employed to determine the molecular ordering and phase separation in the lateral direction of the photoactive thin films. The lateral and vertical morphology will be coordinated and optimized, and the energy bandgaps of electrodes will be tuned according to align the energy levels, to prepare high efficiency fullerene and non-fullerene polymer solar cells. The relationship between vertical component distribution and device metrics, i.e. short-circuit current, open-circuit voltage, fill-factor and power conversion efficiency, will be explored and unraveled in this project.

聚合物太阳能电池在便携式太阳能充电及大规模太阳能发电方面均具有应用前景。该项目拟开展聚合物太阳能电池组分垂直空间分布的调控及高效率器件制备。将设计并合成能有效调控富勒烯和稠环类电子受体组分表面自由能的氟代芳香类有机分子添加剂，并对光伏体系进行多角度的溶液设计和成膜环境控制，在不同器件基底上形成组分呈梯度分布的电池活性层，采用与刻蚀相结合的X射线光电子能谱、中子散射以及椭圆偏光拟合三种不同手段对薄膜垂直空间组分分布做准确检测，全面揭示几种典型的富勒烯和非富勒烯类聚合物太阳能电池体系中影响和控制组分垂直空间分布的内在、外在因素。优化水平方向的微纳结构，制备组分在垂直空间呈梯度分布的活性层薄膜，设计相应的电荷抽取层以匹配能级，制备高效、稳定的聚合物太阳能电池。系统地研究光伏组分的垂直空间分布对器件短路电流、开路电压、填充因子和光伏转化率的影响，建立全面、立体的活性层微纳结构与器件性能的关系。

聚合物太阳能电池在便携、可穿戴太阳能发电设备方面具有较强的应用前景。介于有机半导体薄膜吸光层在三维空间的组分分布对器件效率具有至关重要的影响， 该项目开展了聚合物太阳能电池组分垂直空间分布的多角度调控及高效率器件制备研究：设计合成了新型可挥发氟代芳香类固体添加剂；对多种光伏体系进行了多角度的溶液设计和成膜环境控制，在不同器件基底上形成组分呈梯度分布的电池活性层；采用与刻蚀相结合的X射线光电子能谱及中子散射技术对薄膜垂直空间组分分布开展多手段检测，避免了不同测试方法带来的潜在误差；利用同步辐射掠入角广角 X 射线衍射测试光伏薄膜中的分子结晶、层叠和取向等分子有序性，利用同步辐射掠入角小角 X 射线 散射测试光伏薄膜中相分离尺寸的大小，实现了对活性层微纳结构的全方位表征；系统研究了器件结构、分子结构、光伏活性层制备过程等对光伏组分垂直空间分布的影响，明确了界面层表面能、光伏组分自由能与组分垂直空间分布之间的内在联系；开发了热场诱导聚集及溶液诱导聚集策略，实现了对分子多尺度聚集的有效调控，拓宽了吸光范围和激子解离效率； 揭示了多组分体系有机太阳能电池中电子给体/受体的三维空间分布、聚集体演化、能量转移和器件性能的多因素耦合关系，制备了效率接近17%的三元电池器件。