基于ITIC及其衍生物为受体的有机光伏电池载流子动力学研究

In the past few years, the rapid development of organic solar cells based on non-fullerene small molecular electron acceptor reached more than 13% power conversion efficiency, indicating its prominent value for industrialization. However, the exciton and carrier dynamics of organic solar cells based on such new organic electron acceptor materials are not yet clear, affecting the design and development of high-performance materials. Here, we take the non-fullerene acceptor ITIC and its derivatives as an example to investigate the relationships between materials structures, active layer morphology and the solar cells properties. Our result will show the recombination mechanism in the solar cells with non-fullerene acceptors, and the origin of the energy losses. By building a material structure - charge recombination mechanism - electrical properties model, we can guide the design and development of highly efficient non-fullerene acceptors. The results of this project on the carrier dynamics research in non-fullerene solar cells is of great significance to further reveal the energy loss mechanism of non-fullerene organic solar cells and enrich the design rules of non-fullerene small molecule electron acceptors.

近年来，基于非富勒烯小分子电子受体的有机光伏电池发展迅速，单节电池效率已提达13%，应用价值凸显。然而，基于此类新型受体材料的有机光伏电池激子及载流子动力学过程尚不明确，从而影响高性能材料的设计和开发。本项目以非富勒烯受体ITIC及其衍生物为例，根据光生载流子在产生后仅能被收集或复合的特性，利用光电信号调制光伏电池的电流、电压响应，深入研究其光伏器件的载流子动力学过程，并结合活性层微观结构的表征，系统揭示材料结构、活性层形貌与光伏器件性能之间的关系，明晰以ITIC及其衍生物为受体的光伏电池载流子复合机制及能量损失根源，建立材料结构-载流子复合机制-电学性质的模型，指导设计开发高效非富勒烯受体。本项目对非富勒烯光伏电池载流子动力学的研究，对于深入揭示非富勒烯有机光伏电池的能量损失机制和丰富非富勒烯小分子电子受体的设计理论有重大现实意义。

有机太阳能电池成本低、重量轻、环境友好、能源回收期短、易于制备柔性和半透明器件，极具备商业化应用潜力，得到了学术界和工业界的广泛关注。在项目执行期间，共发表SCI学术论文15篇；申请国家发明专利3项；培养硕士研究生3名；受邀参加国内学术会议并作邀请报告3次。代表性成果简述如下：1. 基于明星分子PM6:Y6的有机太阳能电池实现了15.7％的能量转换效率，推动了有机太阳能电池的发展。然而，由于从Y6被激发后，激子解离效率偏低，Y6到PM6的空穴转移不足限制了器件性能的进一步提高。为了进一步优化活性层相分离形貌，增强Y6相在能量转换方面的贡献，我们介绍了一种简单且有效的添加剂诱导给受体混溶性调控策略，使得活性层获得了层级式形貌，实现了基于PM6:Y6有机太阳能电池效率从15.7%到17.5%的提升。2. 提高全小分子有机太阳能效率，器件工艺优化是有效途径之一。BTR-Cl小分子给体与Y6组合制备的光伏器件，填充因子仅有69%，比非富勒烯聚合物太阳能电池的填充因子低了约10%。因此，进一步提高填充因子，是提高此类全小分子太阳能电池效率的有效手段。以此为目标，在BTR-Cl:Y6的基础上，通过添加富勒烯衍生物剂的方式实现了对给/受体混溶性的调控，从而优化活性层的相分离形貌，在维持载流子提取效率的同时，显著地减少双分子复合，进而填充因子大幅提高到79%，最终获得光电转换效率达15.34%的全小分子太阳能电池（中国计量科学研究院认证效率为14.7%）。进一步缩小了全小分子有机太阳能电池与聚合物太阳能电池在效率方面的差距。3. 通过混合界面层的方式，调整界面层功函数，使其与受体材料的LUMO能级匹配，从而减小传输电阻，抑制了载流子的陷阱诱导复合。同时，受体与界面层之间存在电荷传输，有效地提高了激子解离效率，最终在PM6:Y6体系取得了17.4%的光电转换效率。该聚合物/小分子的复合方式提供了一个简单易行的界面层改性手段。