平面-本体集成异质结聚合物太阳电池的构筑及光伏性能研究

Bulk heterojunction (BHJ) is the most used device structure in polymer solar cells (PSCs).There is enough exciton dissociation interfaces within the photoactive layer, while the charge transport channels should be optimized and the excitons are easily recombined at the electrode interfaces. Planar heterojunction (PHJ) bares continuous carrier transport channel and less interface recombination, although the exciton dissociation interface is limited. In this proposal, we aim at simultaneously enhancing/expanding light absorption and improving the charge carrier transport/collection efficiency. Construct all solution processed planar-bulk integrated heterojunction (PBIHJ) polymer solar cells; expect greatly enhance the power conversion efficiency and stability of the PSCs. The challenge for this structure is how to achieve multilayered film with clear interface via solution process. We plan to utilize strategies of orthogonal solvents, crosslinkable functional groups, and crosslinkable additives to obtain multilayered films with sharp interfaces, constructing PBIHJ-PSCs. Investigate the light distribution rules within the multilayers and find out the corresponding control methods. By selecting donor and acceptor materials with complementary absorption, controlling the aggregation of the photoactive layer, electrodes modification, and optimizing the device fabrication processes, achieve high performance PBIHJ-PSCs with high stability.

本体异质结是目前聚合物太阳电池中最常用的器件结构。该结构有足够的激子分离界面，但共混膜中载流子的传输通道亟待优化，在电极界面处产生的激子易于复合。平面异质结虽然激子分离界面少，但载流子传输通道完整，界面复合低。本项目拟从拓展/增强光吸收和提高电荷传输/收集效率的角度出发，综合平面异质结和本体异质结各自的优点，构筑全溶液加工的平面-本体集成异质结聚合物太阳电池，以期大幅提高聚合物太阳电池的光电转换效率和稳定性。实现该结构的挑战就是如何通过全溶液加工的方法，构筑界面清晰的多层薄膜结构。本项目拟采用正交性溶剂、交联基团、交联型添加剂等策略，获得界面结构清晰的多层薄膜结构，构筑平面-本体集成异质结电池。研究多层薄膜中光电场的分布规律和调控机制。通过互补吸收给受体材料的遴选、活性层聚集态调控、电极界面修饰等器件优化，最终获得稳定高效的平面-本体集成异质结聚合物太阳电池。

本项目从拓展/增强光吸收和提高电荷传输/收集效率的角度出发，综合平面异质结和本体异质结各自的优点，构筑了全溶液加工的平面-本体集成异质结聚合物太阳电池，大幅提高了聚合物太阳电池的光电转换效率和稳定性。在本项目的资助下，通过正交性溶剂、交联基团、交联型添加剂等策略，获得了界面结构清晰的多层薄膜结构，成功构筑出平面-本体集成异质结电池。我们进一步通过顺序沉积技术，在固体添加剂的辅助下，有效调控了给体、受体和共混层中分子的有序排列，大幅提升了平面-本体集成异质结太阳电池的性能。研究了多层薄膜中光电场的分布规律和调控机制。我们设计合成了新型的非富勒烯受体，通过互补吸收给受体材料的遴选，选择三元共混活性层，大幅提升了活性层的光谱吸收强度和载流子分离效率。我们设计合成了具有陷光和传输双功能的电极界面材料，通过背电极陷光技术，在不增加活性层厚度的情况下，有效扩大了光程，从而大幅提升了活性层中的光强分布。我们进一步采用氧化物表面缺陷钝化技术，有效抑制了界面处的电荷复合，从而大幅提升了器件光电转换效率和稳定性。通过活性层聚集态调控、电极界面修饰等器件优化，最终获得了效率超过19%的平面-本体集成异质结聚合物太阳电池。相关研究成果发表SCI收录论文53篇，申请发明专利3项，参加学术会议9次，培养研究生13名。