全溶液成型聚合物太阳能电池中新型聚合物给体及可打印金属电极的研究

In this project, we will focus on: i) the design and synthesis of high-performance, low water-oxygen-sensitivity polymeric donors; ii) the fabrication of high-surface-quality printable metal electrodes. Thus, the polymeric donors and printable metal electrodes studied will be used in full-solution processed polymer solar cells (PSCs), in which all functional layers including anode, cathode, buffer layers and active layer are prepared from the solution. Different kinds of new oligothiophene–isoindigo copolymer donors will be synthesized with the optimization in their backbone and side chains. Highest occupied molecular orbital of these donors will be lower than -5.4 eV for achieving low water-oxygen-sensitivity. The suitable side chains can endow active layer of PSCs good morphology and appropriate hydrophobicity. The printable metals prepared by PAMD are used as both bottom and back electrodes of the PSCs. For the printable metals formed by PAMD, polymeric brushes can enhance the adhesive force and absorb the internal force between metal and substrate, which have the advantage on the flexibility of the electrodes and their devices. The surface quality of printable metal electrodes will be improved by the optimization on surface modification of substrates, catalyst system and electroless deposition solution based our previous work. Buffer layers of the metal electrodes are also studied to further enhance the interface morphology between cathode and active layer. Our work will cast light on the realization of big-area, low-cost and high-efficiency full-solution processed PSCs.

本项目着重研究低水氧敏感性的高性能聚合物给体和表面质量优良的可打印金属电极。所研究的给体材料和金属电极将应用于包括电极在内的所有功能层都是溶液加工的全溶液成型聚合物太阳能电池。我们拟合成新型的基于寡聚噻吩与异靛蓝共聚物给体材料，改变共聚单元和侧链结构，并引入氟原子。通过分子设计，使给体材料的最高占有轨道能级小于-5.4 eV，提高其水氧稳定性。调节侧链长度使活性层具有理想的形貌特征和合适的疏水性。基于聚合物辅助沉积(PAMD)技术的可打印金属作为聚合物太阳能电池的背电极兼底电极，原位生长的金属和衬底之间的聚合物分子刷可以增强金属附着力、吸收内应力，尤其适用于柔性有机光电子器件。通过对衬底表面改性、催化剂、无电沉积溶液配方的优化，提高可打印金属电极表面质量，同时进行界面修饰层的研究，进一步优化阴极界面。我们的工作将为实现大面积、低成本、高性能的全溶液成型太阳能电池器件提供有价值的研究基础。

金属电极在内的所有功能层都可以溶液加工成膜，将在最大程度上发挥有机/聚合物光电功能材料的低成本加工优势。因此，本项目基于可打印金属电极的全溶液成型聚合物太阳能电池的研究具有一定的科学意义和应用价值。我们在基于聚合物辅助沉积(PAMD)技术的可打印金属电极工作中，通过对分子刷、催化剂和无电沉积溶液的研究，银电极的均方根表面粗糙度（RMS）从前期工作的10.0 nm减小到5.0 nm以下。如此光滑的可打印银电极可以适用于多种电子传输层、界面层和光活性层，大大提高了器件的设计空间。打印金属底电极的界面修饰非常重要，我们分别用枝化聚乙烯亚胺（PEI）、ZnO、ZnO/PEI修饰打印的银电极和铜电极，系统研究了复合阴极的电学参数和形貌特征，并赋予P3HT:PCBM的全溶液成型聚合物太阳能电池良好的器件性能。在新型聚合物給体的研究中，我们设计、合成了基于异靛蓝、苯并二噻吩-4,8-二酮（BDD）、苯并二噻吩(BDT)与二氟代苯并噻二唑（FBT）的电子给体（D）-电子受体（A）型聚合物。其中，基于BDT-FBT共聚物PBTTF-H的全溶液成型聚合物太阳能电池（PET/Ag/ZnO/PFN/PBTTF-H:PCBM-C70/PH1000）的PCE为5.10%；光活性层采用PBTTF-H:PCBM-C70：ITIC的三元共混体系，器件的PCE达到5.68%。器件性能达到了本项目的预期研究目标。银电极无电沉积在织物上，借助聚合物薄膜可以无支撑湿法转移特性，首次制备基于织物电极的可折叠聚合物太阳能电池。可打印银电极也成功应用于全溶液成型聚合物电致发光器件，获得良好的发光性能。此外，新型聚合物给体材料的研究为钙钛矿太阳能电池提供高性能的空穴传输聚合物材料。该研究为聚合物太阳能电池及其他有机/聚合物光电功能器件低成本、规模化生产提供理论和实验基础。项目执行期间，共发表13篇学术论文，授权发明专利一项。