高效率有机小分子受体材料的理性设计、可控制备及其电池器件

To date, research on organic solar cells reaches another key crossing. Organic acceptors which are expected to replace the fullerene counterparts are considered as one new growing point. With respect to C60, the rich source, more easily accessible modifications on the molecular structure, and more easily fine-tuning on the optoelectronic property afford a large scope for matching the energy between donor and acceptor, spectral coverage of the solar emission, and film morphological of the photoactive materials when they are selected to combine with organic donors. Our group have recently achieved over 4% efficiency and this brings out the interest on the organic acceptors. In this project, we will pay our attention on the rational design of molecules on the energy level and spectral coverage of solar emission as well as film-morphology. Our goal is increasing efficiency up to over 9%. This value of efficiency will help us to continouesly lead the research in this field.

发展到今天，有机太阳能电池（OSCs）又到了一个关键的十字路口，替代富勒烯受体的有机受体材料有望成为一个新的生长点。与C60相比，有机分子具有来源广泛、结构更易于修饰、光谱和能级更易于调节等优势，因此有机受体材料与有机给体材料的组合，将可以在能级匹配、吸收光谱匹配和聚集结构调控等方面，提供丰富多样的组合可能，为OSC的研究和性能提升提供更多选择。近两年来，我课题组已率先将效率突破到4.03%以及4.34%，燃起了科学家重新探索高效率有机受体材料的浓厚兴趣。本项目拟在前期研究基础上，通过能级、太阳光谱覆盖范围和薄膜结构的理性设计，结合电极表面修饰和叠层器件制备，将效率进一步提高到9%以上，跨入高效率有机光伏电池的行列，解决与高性能有机小分子受体材料的理性设计与可控制备相关的关键科学问题，制备得到可替代富勒烯受体材料的有机受体材料，继续保持我国在该领域的领先优势。

富勒烯分子结构修饰上的局限性极大地限制了有机太阳电池性能的提升，为此，非富勒烯受体材料逐渐受到了科学家的关注，并于近两三年成功地成为了该领域的研究热点与核心。本项目深入系统地研究了分子结构-聚集结构-器件性能间的构效关系，通过控制与成膜动力学过程密切相关的参数和工艺，精准调节了活性层中受体相尺寸大小、活性层上下表面中受体的含量和聚合物给体的pi-pi间距，实现了电池性能的提升，得到了“光活性层中，苝二酰亚胺受体相尺寸大小对电子迁移率和短路电流具有决定性影响”和“小分子共轭骨架端基在调节电池性能方面表现出明显的端基效应”的结论，将苝二酰亚胺二聚体基非富勒烯有机太阳电池的效率提高到7.3%。适时开展了A-D-A并杂环型非富勒烯受体材料的分子设计及其聚集结构和光伏性能间构效关系的研究，获得了>11%的效率；获得了受体分子的单晶结构，单晶数据表明，这类分子形成三维互穿网状的J-聚集结构，通过将单晶数据与掠入射X-射线衍射（GIXRD）数据结合，给出了这类受体分子在给受体共混薄膜中更清晰的J-聚集图像，同时对其GIXRD衍射峰的分子聚集结构来源，给出了更清晰的结构归属。为了解决有机太阳电池中开路电压、短路电流和填充因子间不可调和的矛盾，我们率先报道了多个四元共混活性层电池体系，我们的结果表明，富勒烯的加入不仅可以通过调节活性层形貌，来调节活性层的电学性质，还可以调节非富勒烯有机受体材料的光学性质。根据“高性能电池的制备要求电子传输层（ETL）材料必须同时满足相互矛盾的多个参数指标”的局限性，通过将两个小分子ETL材料共混，发展了可以初步解决这一问题的双元共混电子传输层设计策略，和单组份ETL相比，成功实现了电池性能的提升。