全小分子三元体系给体受体界面的调控与光伏器件性能研究

Organic solar cells commonly consist of an electron donor blended with an electron acceptor, yielding an interpenetrating network known as the bulk heterojunction (BHJ). With recent study on the relationship between the active layer morphology and the device performance, it was found that the devices of highest performance in BHJ are typically obtained with a three-phase microstructure consisting of donor-rich domains, intermixed regions as well as acceptor-rich domains. While obtaining optimized three-phase microstructure is a big challenge. In this proposal, all-small-molecule ternary system is used to finely control the three-phase microstructure so as to improve the power conversion efficiency of organic solar cell. The research content mainly includes: (1) The crystalline of donor-rich region, the interpenetrating and the proportion of the mixed D/A interface region as well as the domain size of acceptor-rich region will be well controlled by molecule design and the mixed ratio adjustment of two donors. (2) The internal affection of active layer microstructure on charge separation, charge transport and exciton decay time is revealed using grazing incidence wide angle X-ray scattering (GIWAXS), resonant soft X-ray scattering (R-SoXS) and transient absorption spectroscopy (TAS). (3) We aim to obtain new scheme for enhancing the power conversion efficiency of organic solar cells by molecule design and targeting optimized morphology.

有机太阳能电池的制备主要通过给、受体材料共混，形成具有互穿网络结构的本体异质结构。近年来对器件活性层形貌与性能关系的研究发现最高光电转换效率的本体异质结构器件活性层中通常都是“三相共存”结构，即：给体富集相-给体受体共混相-受体富集相共存。但是，如何获得理想的“三相”分布面临着巨大挑战。本项目通过设计构筑全小分子三元体系实现“三相共存”结构的调控以提高有机太阳能电池器件的光电转效率。研究内容包括：（1）通过两种给体小分子结构的设计和混合比例的调控，实现对给体富集区的结晶性、界面共混相区中给受体材料间的共混程度和共混相区存在比例、受体富集区分相尺度等的调控。（2）利用掠入射X射线散射，共振软X射线散射，瞬态吸收光谱等方法对活性层内分相结构进行研究，揭示“三相共存”结构与激子分离、传输以及寿命等方面的内在关联。（3）获得从分子设计到相结构调控到实现理想的有机太阳能电池光电转换效率的新方案。

近年来, 由多组分材料共混构建的三元体系有机太阳能电池受到越来越多的关注。由于三元器件主要是通过各组分共混，采用溶液加工的方法制备器件的活性层，因而如何通过第三组分材料的引入来调控各组分分子间的相互作用力、分相方式、聚集尺度、以及分子以何种方式排列等是人们关注的焦点。这些因素对三元有机太阳能的器件的开路电压、短路电流和填充因子等参数和太阳能电池的最终效率具有较大的影响。本基金中主要研究了基于有机小分子给体与PC71BM受体的三元体系有机太阳能电池，即：通过第三组分材料的引入来实现三元器件中“类合金模型”的形成；同一三元体系中, 在不同共混比例下“类合金模型与平行模型”的共存现象；同一三元体系相同共混比例下，“类合金模型”与“级联(Cascade)模型”之间的转化，以及哪种工作机制更有利于激子的分离与电荷的收集。我们还基于有机小分子给体材料，研究了二元体系有机太阳能电池器件中通过分子端基的改变来调控给受体分子间的相互作用，及其对器件活性层形貌的调控和器件性能的影响。同时我们还研究了单给体组分有机太阳能电池中激子分离、电荷传输，获得了基于单给体的p-i-n结构有机太阳能电池的能量转化效率为1.61％。这是单给体组分有机太阳能电池中最高的能量转化效率，这一结果对于理解有机光伏材料中电荷产生的机理，并最终获得高效的单组分有机太阳能电池具有重要的指导意义。