三元体系有机太阳能电池多尺度相结构与器件性能研究

To obtain the high-performance and stable ternary organic solar cells, controlling the morphology at multiple length scales is one of the grand challenges in the field. The key problem is how to get the optimum morphology by controlling the guest/host molecular interaction. Meanwhile, the work mechanism of different ternary systems need be elucidated. In this proposal the X-ray scattering techniques, including GIWAXS, GISAXS and R-SoXS, will be used to characterize the phase separation, domain size of the phase, size of crystallite and its distributions and orientation, and the molecular orientation of the donor at the donor/acceptor interfaces. Then we can study the relationship between the morphology and the physic parameters, like exciton separation and charge transport, open voltage, short circuit, fill factor, which affect the efficiency of the ternary organic solar cells. Moreover, the morphology and work mechanism of the ternary system will be discussed. This work will play very important role in developing high-performance ternary organic solar cells.

在三元有机太阳能电池中，对于活性层形貌在各个尺度精确控制和表征至关重要。客体分子的引入使得三元体系的相形貌的控制更为复杂，如何调控主客体分子的相互作用获得较优的相形貌是三元体系的面临的挑战；同时，具有不同相形貌的三元体系的工作机制需要进一步阐明。本项目拟采用X射线散射（GIWAXS、GISAXS、R-SoXS）的方法研究三元体系中主客体分子的表面能、结晶性及其相容性对活性层形貌的影响，包括垂直相分离、相区尺度和纯度、晶体的大小分布和取向以及给受体界面处的分子取向等，从而揭示活性层的多尺度形貌与影响三元太阳能电池光电转换效率的各物理量（激子的分离与载流子的传输、开路电压、短路电流、填充因子）之间的关系。进而将三元体系的活性层形貌与其工作机制直接相关联。该研究将为进一步优化和调控三元有机太阳能电池活性层的形貌提供理论指导，为提高三元有机太阳能电池的效率提供科学依据。

对于三元体系有机太阳能电池器件，其活性层形貌在各个尺度精确控制和表征是理解三元体系性能提高的关键核心问题。客体分子的引入使得三元体系的相形貌的控制更为复杂，如何调控主客体分子的相互作用获得较优的相形貌是三元体系的面临的挑战；同时，具有不同相形貌的三元体系的工作机制需要进一步阐明。本项目通过分子设计与合成，利用分子诱导、相容性、结晶度、能级相匹配等策略，构筑高效率的三元有机太阳能电池，并研究了不同相形貌以及垂直相分布的调控机理，构建了活性层形貌与其工作机制及其器件性能间的关系。本项目重点完成了第三组分小分子诱导聚合物取向、能量转移以及合金模型工作机制、第三组分小分子界面调控机制等工作。该研究将为进一步优化和调控三元有机太阳能电池活性层的形貌提供理论指导，为提高三元有机太阳能电池的效率提供科学依据。