高效非富勒烯体系聚合物太阳能电池光-热稳定性研究

As a promising candidate of clean and renewable energy technologies, polymer solar cells require both efficient and stable operation for commercial application. Significant progresses have been made in the photovoltaic performance of devices based on non-fullerene acceptors which show strong light absorption abilities and tunable molecular energy levels. However, the inferior device stability remains the bottleneck that limits the future industrial production. This project is proposed to investigate the photo and thermal stabilities in a series of representative non-fullerene based photovoltaic devices with high power conversion efficiencies. The details include as follows: 1). evaluating the stability of non-fullerene based polymer solar cells and revealing the degradation mechanism of device performance; 2). systematically analyzing the influence of donor/acceptor crystallization on morphological stability as well as photo-physical behavior and photovoltaic performance stability; 3). the degree of molecular crystallization in the blend film is controlled to improve the device stability and phase separation in the blends is frozen by utilizing a third component which has chemical or physical interactions with donors or acceptors. Based on the above research, our target is to fabricate efficient and stable non-fullerene polymer solar cells with initial PCE exceeding 10% and T80 lifetime of 1000h.

作为一种新型绿色能源技术，聚合物光伏电池的商业化应用需要同时满足高的光电转换性能和优良的器件稳定性两个方面的要求。非富勒烯体系聚合物太阳能电池的光伏性能取得了重大的进展，但是，较差的器件稳定性仍是限制其大规模生产的一个瓶颈因素。本项目拟以一系列具有代表性的高效非富勒烯体系光伏电池为研究对象，研究内容包括：1）对其光-热稳定性进行综合评价，揭示其中的器件性能衰减机制；2）系统分析在非富勒烯体系光伏电池中，由于给/受体结晶能力不同所导致的共混薄膜相分离状态稳定性的变化，及其对薄膜光物理行为及器件光伏性能稳定性的影响；3）结合分子结晶动力学和固-液相分离理论，控制共混薄膜中给/受体结晶程度，并引入合适的第三组份固定共混薄膜形貌，最终制备兼具高效率和高稳定性的非富勒烯体系光伏器件。核心目标是：据此研究，实现初始能量转换效率超过10%，T80寿命超过1000小时的非富勒烯体系聚合物薄膜光伏电池。

聚合物光伏电池的商业化应用需要同时满足高光电转换性能和高稳定性两个方面的要求。目前非富勒烯体系聚合物光伏器件的能量转换效率已经取得了较高的水平，但是较差的器件稳定性仍是限制其实际生产应用的一个瓶颈因素。针对这一关键问题，我们系统研究了典型的非富勒烯体系聚合物光伏电池的光/热稳定性，确立了共混薄膜凝聚态结构、光物理行为和器件光伏性能稳定性三者之间的构效关系，并通过引入第三组分和使用固定剂的手段提高了聚合物太阳能电池的光/热稳定性。主要研究内容包括：（1）以高效的PBDB-T:ITIC及PBDB-TF:IT-4F体系聚合物太阳能电池作为研究对象，深入分析了在加热条件下的器件性能衰减机制，证实了在热驱动下的薄膜形貌改变是引起器件光伏性能衰减的主要机制。（2）采用三元策略实现了高性能的非富勒烯有机太阳能电池，通过优化器件初始效率最高达13.37%；第三组分O6T-4F的加入提高了非富勒烯有机光伏电池的器件性能及存储稳定性和热稳定性。（3）通过引入固定剂，利用固定剂与给受体分子间氢键相互作用，限制共混薄膜内部小分子受体的移动，基于此制备的电池器件经600小时光照后仍能够保持超过10%的能量转换效率。在科研成果产出方面，截止撰写结题报告当前，共发表SCI论文7篇。完成了项目申请期间拟定的预设研究目标。