基于三元共混体系的小分子有机太阳能电池性能研究

Owing to the molecular excitonic nature of the primary excitation, the absorption window of organic semiconductors is relatively narrow, which hinders the improvement of the power conversion efficiency (PCE) in organic solar cells. In order to overcome the absorption limitation and improve the light harvesting, novel low bandgap organic semiconductors would extend light absorption to near infrared (IR) region. However, solar cells based on these materials tend to have low open-circuit voltage. As a result, the overall PCEs of solar cells are low. Tandem device architectures have been demonstrated as a useful approach towards fabrication of high-efficiency solar cells, where two subcells are stacked in series and the individual photoactive layers have complementary absorption spectra. However, the complicated multilayer structure raises serious technical challenges in device fabrication. An elegant alternative strategy was realized to extend the spectral sensitivity of organic semiconductors into the near IR region by adding an IR sensitizer into the blend solutions of another wide-bandgap donor as the host donor and fullerene derivatives, the so-called organic ternary solar cells. This device is simple and can be easily fabricated. However, the power conversion efficiency is low due to a lack of understanding of the working principles of ternary organic solar cells. In this project, we will select several high-performance solution-processed small molecules and then fabricated ternary blend based small molecule solar cells. We will focus on the study of charge transfer,transport,recombination mechanisms and structure-property relationships of donors and acceptors in the ternary blend to gain deeper insight into the working principles of ternary organic solar cells.

由于自身的特性，有机半导体材料的光谱吸收范围比较窄，限制了有机太阳能电池效率的进一步提高。通过分子设计与合成，可以将材料的光谱响应范围拓宽至近红外区域，但是基于这类材料的太阳能电池往往具有较低的开路电压，导致器件整体性能不高。叠层结构可以增加活性层对太阳光的吸收，提高电池的转换效率。但是复杂的器件结构和制备工艺，给叠层太阳能电池的制备带来很大困难。三元共混体系有机太阳能电池,通过利用两种不同带隙宽度的给体材料（分别为主体给体材料和近红外敏化染料材料），大幅度增加了其对太阳光的利用率。此外，这种器件结构比较简单，制备相对容易。由于对该类电池的工作原理认识不深，目前它的转换效率还比较低。本项目拟将选择一些高性能可溶液法加工的小分子材料，来制备三元共混体系小分子有机太阳能电池。通过对活性层聚集态结构和性能关系以及激子的产生和分离，载流子传输和复合等基础问题的研究，加深对这类电池工作机理的认识。

有机太阳能电池因其成本低、制作容易以及可制成柔性大面积器件等优点，已经成为太阳能电池中最热门的研究领域之一。有机半导体材料的光吸收通常是比较窄的，这限制了对太阳光的捕获。为了解决这个问题，三元有机太阳能电池采用多种光吸收互补的材料来拓宽光谱范围，进而提高短路电流。但是对这种新型电池的工作机理方面的认识还比较匮乏，材料结构和薄膜形貌调控以及激子和电荷的产生传输和复合等基础问题的认识还存在不足，目前该类器件的转换效率还相对较低。本项目拟设计合成一系列高性能小分子给受体材料，通过合理的搭配，制备高性能三元有机太阳能电池。系统研究三元体系中活性层聚集态结构和性能关系以及形貌的变化,研究太阳能电池器件中激子的产生和分离，载流子传输和复合等基础问题，加深对三元共混体系太阳能电池工作机制的认识。通过引入杂原子（如：锗和硒等）到给受体单元中，或者拓宽给受体单元的共轭链长度，以及末端基团中引入氟、氯原子，我们构筑了一些列新型小分子给体和非富勒烯受体单元；通过改变苯并噻吩小分子单元侧链取代基碳原子个数，和苯并二噻吩二酮受体共聚，合成了几种高性能聚合物给体材料，该类聚合物材料薄膜状态下易自组装成聚合物纤维结构，有利于电荷传输，载流子复合较弱，首次取得了80%以上的填充因子，是有机光伏领域的重大突破；利用材料的纤维聚集状态调控了三元体系活性层形貌和相分离，实现了高性能三元有机太阳能电池的制备，效率超过13%，最高填充因子达到77%；系统研究了三元电池的工作机理：共相体系和平行传输模式有利于载流子传输，获得较高光伏性能。此外我们还制备了高环境稳定性和半透明器件。上述工作连续发表在JACS，Adv. Mater. Adv. Energy Mater.和Chem. Mater等国际著名杂志上。我们系统研究了小分子材料的合成、形貌的调控、载流子的传输和复合以及器件的稳定性，制备了效率13%以上的太阳能电池器件，加深了对三元体系太阳能电池工作机理的认识， 推动了有机太阳能电池的进一步产业化。