纳米级梳状穿插双层结构有机/聚合物太阳能电池

本项目拟利用纳米压印技术，用PCBM薄膜为模版压印共轭聚合物薄膜，制备镶嵌在一起的纳米级梳状穿插双层结构。其中模版是在PCBM的薄膜上，垂直且均匀分布着长和宽均为25nm、高度为70nm、间距为25纳米的PCBM纳米方柱。被压印的另外一层与上述结构互补，即在窄带共轭聚合物的薄膜上均匀分布长和宽均为25nm、深度为70nm、且间距25纳米的方洞。此双层结构分别由有机/聚合物太阳能电池的聚合物给体材料和受体材料PCBM构成，在两侧加上电极之后（其中一个为透明电极），即可获得具有理想器件结构的有机/聚合物太阳能电池。由于给体和受体分别独立形成连续相且两相界面到本体材料内最大距离可满足激子的有效迁移，上述器件构造方法将解决聚合物共混薄膜形貌无法有效控制这一制约有机/聚合物太阳能电池的基本问题。我们拟通过对给体材料的优化，解决与PCBM相互匹配的问题，获得高效器件。

在项目NOS.51073063的资助下，我们在有机/聚合物太阳能电池（OPV）的材料与器件研究方面取得了系列成果，截止2013年底，已经在英文期刊上发表文章5篇（SCI四篇），获得授权中国专利1项。其中在J. Mater. Chem和Chem. Commun发表的文章分别被选为封面文章和hot paper。另外还有在投的SCI文章还有四篇，正在申报的中国专利一项。主要研究进展包括： .（1）亚三维与三维OPV给体材料的合成与器件应用：以单键连接苯并噻二唑为核构建亚三维的大分子给体材料，以螺芴为核构建三维大分子给体材料。实验结果表明，上述两类材料的分子间堆积得到明显的抑制，意味着其薄膜硬度的降低。通过与线性分子及聚合物对比，此类设计明显提高了相应OPV（与PC71BM）的器件效率，是目前3D材料的最高值之一（器件效率为4.8%），为制备高性能纳米压印器件奠定了基础；.（2）阴离子共轭聚电解质阴极界面材料及其OPV应用：以含寡聚醚和磺酸钠侧链的阴离子共轭聚合物作为OPV的阴极界面层，用于以P3HT/PCBM和PTB7/P71CBM为活性层的正式器件。研究了阴极界面层形貌与器件性能之间的关系，获得了超过9%的OPV器件效率，这一结果是目前文献报道的正式器件的最高值；.（3）基于AZO/超薄Al透明阴极的高效率反式OPV：以1nm的Al修饰AZO电极，在基本不改变透明度的前提下调节电极的功函，并以此电极为阴极，以P3HT/ICBA为活性层，氧化钼/Al为阳极，获得了效率为5.5%的反式OPV；.（4）大面积超精细硅基纳米模板的制备及压印工艺：采用e-beam在硅片上完成了周期为50nm的线和圆柱的光刻胶的刻写工艺。通过ICP刻蚀，在硅片上获得了大面积的（3mm×3mm）纳米圆柱阵列，这样大面积的刻写及刻蚀工艺是国内首次报道。利用所获得的纳米硅基模板，采用加热和溶剂辅助的条件，我们成功实现了图案向共轭聚合物的转移。.通过对新型OPV给体材料和阴极界面层材料的优化，正式和反式OPV器件的优化，以及大面积纳米硅模板的制造与压印工艺探索，我们在OPV的基础研究与器件优化方面均取得了重要进展，基本完成了项目的任务要求。