基于三元共轭共聚物的有机太阳能电池研究

Traditional organic solar cells based on binary donor-acceptor (D-A) copolymers have achieved 8% power conversion efficiency. However, more tunable D-A molecular structures are needed to give a better control of energy levels, which leads to better exicton dissociation and simultaneously improved optical absorption. This proposal is aimed to design and synthesize a series of novel ternary conjugated copolymers used as donor for organic solar cells. Three ternary structures are constructed based on D-π-A, D2-D1-A and D-A1-D-A2. We plan to conduct systematic studies of the influences of structure, composition ratio, sequence of D and A units along the backbone on energy levels, solubility and chain packing of resulting copolymers. Device performance, charge transport and interfaces of these terpolymers based organic solar cells will be then evaluated. The ultimate goal of the proposal is to develop a molecular understanding of structure-function-property-performance relations of D-A terpolymers toward high-efficiency and stable solar cells.

基于二元给体(D)-受体(A)交替共聚物的有机太阳能电池已取得8%的光电转换效率，但其分子结构设计上可以具有更好的可控性，使其能级结构更加合理，更有益于激子拆分，且进一步增强光吸收能力与拓宽光吸收范围。本项目拟采用合理的分子设计构筑一系列新型的三元共轭聚合物体系用作有机太阳能电池的给体材料。以三个D-π-A、D2-D1-A、D-A1-D-A2体系为对象，系统研究其D、A组分单元的不同构筑、比例、排布对共轭聚合物的能级结构、溶解性与分子链堆砌的影响。面向这些共轭聚合物，通过器件性能、电荷输运与界面的研究，构建一个化学结构-功能-性能-器件的合理关联，为实现稳定高效的有机太阳能电池应用提供理论与实验的科学依据。

为了获取高效有机太阳能电池，有效层的制备是其中的关键。通常，有效层是由二元共轭聚合物给体与小分子受体材料共混形成的二元共混薄膜。然而，这样的共混薄膜会面临光吸收范围窄、能级结构不匹配、形貌不佳等问题，限制了电池器件效率的进一步提升。为了解决这些问题，我们首先从分子结构上对给体分子进行合理的设计，合成了一系列三元共轭聚合物给体材料。例如，在三元无规共轭聚合物PF8TBT中，仅有F8单元存在烷基侧链，通过改变各组分单元比例可以控制给体分子的侧链数量，进而调控富勒烯受体PCBM在聚合物侧链中的穿插比，控制共混薄膜形貌。其次，将溶剂工程应用于平面型苝二酰亚胺（PDI）非富勒烯受体体系中。通过对主体溶剂和溶剂添加剂的协同作用，可以有效的改变PDI受体分子的聚集行为。再次，将三元共混策略与基于ITIC非富勒烯受体的有机光伏体系相结合。分别将高结晶性的PDI受体和PffBT4T-2OD给体引入二元基准体系PTB7-Th:ITIC中，制备了1D/2A和2D/1A型三元电池器件。通过精细调控第三组分的加入量，获得了互补的光吸收、合理的能级结构、优化的共混薄膜形貌以及高的光电转换效率。基于上述工作并结合目前相关领域的迅猛发展，撰写了一篇关于三元非富勒烯有机太阳能电池的综述文章。最近，将三元共混策略应用于三元共轭聚合物体系中，实现了两者的有机结合。在PBBF11:ITIC二元体系中加入少量PC71BM，研究其中电荷输运机制与复合行为。结果表明，PCBM的引入可以显著改善共混薄膜形貌、提供额外的电荷输运通道、抑制电荷复合。此外，发展了CELIV与TOF等瞬态手段，深入研究了有机聚合物与小分子太阳能电池中电荷输运机理，包括载流子迁移率的测量，电荷复合过程及陷阱态机理，并以此指导器件界面的优化工作，例如首次将钙钛矿材料作为替代PEDOT:PSS空穴传输层应用在聚合物有机光伏中，实现了钙钛矿材料与聚合物太阳能电池的有机结合。