主链共轭阻断—双键桥连硅氧烷可交联透明电极修饰材料的设计、制备及其高性能聚合物太阳能电池

The materials for the modificaion of transparent electrodes are attracting extensive interest for high efficient and stable organic optoelectronic devices due to their ablilities to regulate ligh distribution and carrier collection barriers. The design and synthesis of novel materials for the the modificaion of transparent electrodes are the active filed with high light transmittance, large area and solution-preccessablity. In this regard, a series of novel crosslinkable materials with interruption of conjugation in backbone and vinyl-siloxanes will be designed and synthesized. On the one hand, the visibale-light absorption will be reduced by using the interruption of conjugation in backbone, which will be benefit to improve the excitons generation in the active layer and inhibit the carrier diffusion in modified layer. On the other hand, the interface adhesion will also be enhanced owing to the hydrolysis of siloxane, which can formed silicon oxygen bond with the surface of ITO. The carriers transfer between the active layer and the electrode is going to be promoted by linking the double bond structure and achieve high carrier selective transfer and collection. Then, the effective choice of functional groups and connection, we will explored the relationship between the material structures and their performance of the devices, elucidating the rule of the structure design of high performance transparent electrode materials. Our results will supply a novel strategy for obtaining high efficient, stable, and large area polymer solar cells.

具有调控光场分布和载流子收集势垒的透明电极修饰材料因其可以制备效率高、稳定性好的有机光电子器件而备受广泛关注，设计制备具有光透过率高、可大面积溶液制作的透明电极修饰材料成为人们关注的热点。鉴于此，本项目以理论为指导，以应用为导向，设计、合成系列主链共轭阻断—双键桥连硅氧烷可交联透明电极修饰材料，一方面，利用共轭阻断降低修饰层对于可见光的吸收，提高活性层激子生成效率，抑制载流子在修饰层内的扩散；另一方面，利用硅氧烷结构水解后可与ITO形成硅氧键，改善其界面处的粘接性；利用双键桥连结构提升载流子在活性层与电极间的传输，实现载流子高的选择性传输和收集；通过对功能基团的有效选择与连接，探究材料结构与器件性能的关系，阐明高性能透明电极修饰材料的结构设计规律，为高效率、高稳定性、可大面积制备的聚合物太阳能电池研究做出理论探索和研究铺垫。

随着人类社会快速发展，能源短缺、环境污染和资源危机等问题日益加剧，严重制约人类可持续发展。有机太阳能电池以其选材广、轻质超薄及可柔性化等优势，成为当前太阳能电池研究的热点和前沿。然而，有机太阳电池的效率仍然滞后于传统的硅基和新型的钙钛矿电池，因此，本项目从光电材料的源头出发，研究基于共轭阻断型有机太阳能电池界面材料的光电新机制开发高性能光电转换界面材料，为有机太阳电池效率的提升提供有效的途径。. 主要研究包括：（一）创新性提出次级键修复木质素共轭阻断结构，构建三维电子传输理论，实现光生电子在木质素中的高效传输，解决木质素本征电荷传输性能差的问题，基于木质素界面调控有机太阳能电池效率高达16.02%，是迄今为止报道基于木质素界面调控有机太阳能电池最高的光电转换效率；（二）创新性提出“内嵌型”非共轭纤维素有机太阳能电池的设计理念，将光调控特性纤维素嵌入光敏层和电极之间，稳定其微纳结构，利用其光调控效应，提升光敏层对可见光的吸收，实现效率高、光调控性好、“内嵌型”纤维素有机太阳能电池的制备，电池的效率为12.01%，是目前基于纤维素基界面最高的光电转换效率；（三）创新性提出利用农林剩余物制备非共轭纤维素纳米纸作为有机太阳能电池光捕获增透膜的方法，利用纤维素纳米纸自陷光效应和结晶分布差异，解决传统增透膜不能实现广角捕获的问题，电池表现出优异的光电性能（PCE=16.17%）和有效的广角光捕获特性（偏离垂直入射方向：-45度~45度）。尤其当太阳光入射角偏离垂直方向45度时，器件效率也从传统型的9.12%提高到12.78%，电池效率提升幅度高达~40%；（四）提出通过TEMPO氧化，制备单/多羧基取代非共轭纤维素，改善纤维素的加工性，调控其HOMO/LUMO能级和界面处的能垒，实现功能化纤维素基界面调控高效率太阳能电池的制备。. 通过本项目的资助下，已在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Journal of Materials Chemistry A等TOP期刊发表SCI论文14篇，其中4篇IF>10；发表国内期刊论文1篇，接受发表论文2篇，其中中文卓越期刊论文1篇；授权国家发明专利3件、申请发明专利1件；获得省部级奖励1项。