非富勒烯有机太阳电池的阴极界面修饰和受体一体材料的设计合成及器件性能优化

Due to the obvious advantages of non-fullerene acceptors, such as easy structural modification, good stability, strong light absorption, easy energy level control and high electron mobility, and non-fullerene organic solar cells (OSCs) have great potential to replace the traditional fullerene OSCs. This project focuses on design and synthesize a series of cathode interface modification and acceptor integration materials for non-fullerene OSCs. The interface modification, absorption spectra, energy level, electron mobility and the blend morphology with donor materials can be effectively tuned by the chemical structure of the side chain on A-D-A fused ring molecules. Suitable conjugated polymer donor materials, which is dissolved in environmental-friendly solvent, will be selected for matching with these materials. Afterwards, it can fabricate the inverted structured OSCs by “one-step” method with green and environmental-friendly solvent. In addition, the relationship of molecular structure and device property will be investigated to offer the theoretical foundation and experiment evidence for design and synthesis of the cathode interface modification and acceptor integration materials in non-fullerene OSCs. This project is in accord with the new direction of energy development and environmental protection in the international society.

非富勒烯受体材料具有易于进行结构修饰、稳定性好、吸光强、能级易调控、电子迁移率较高等优点，基于该类材料的有机太阳电池具有替代传统富勒烯有机太阳电池的巨大优势。本项目通过对非富勒烯受体A-D-A稠环分子中给电子单元侧链的化学结构进行修饰，调控该类稠环分子的界面修饰性能、吸收光谱、分子能级、电子迁移率、以及与给体共混活性层的形貌，合成得到非富勒烯有机太阳电池的阴极界面修饰和受体一体材料。当该类材料与合适溶解度的高效给体材料配伍时，由于光活性层内部驱动力和材料本身自组装性能的定向分布规律，可“一步法”制备绿色、环境友好的反向非富勒烯有机光伏器件。此外，通过各种表征手段考察分子结构和器件性能之间的关系，可以为非富勒烯有机太阳电池阴极界面修饰和受体一体材料的设计合成提供理论基础和实验依据，符合国际社会环境保护发展要求的新方向。

有机太阳能电池由于其制作成本低廉、质轻、制备工艺简单、结构和功能易于调控、易于溶液加工和大面积成膜、可制备柔性器件等优势被广泛关注。本项目着力于设计并合成一系列可以直接溶于环境友好溶剂的有机太阳能电池的阴极界面修饰和受体材料。主要研究内容包括：.（1）设计合成非富勒烯有机太阳能电池的阴极界面修饰和受体一体化材料。采用Gaussian软件，运用密度泛函方法对设计得到的分子结构、能级分布、偶极子成分等进行计算。采用空间电荷限制电流法对材料的电子迁移率进行了测量和计算，充分证明其作为光活性层阴极界面修饰材料和受体材料的潜能。.（2）通过将n-型DMBI-BDZC掺杂剂掺杂到二元PM6:Y6光活性层体系中，可有效改善活性层表面形貌、增强并平衡电荷载流子迁移率、显著延长载流子寿命、明显减少能量损失，使器件能量转化效率从17.17%提高到18.33%。.（3） 通过物理掺杂将石墨烯加入苝二亚胺（PDI）衍生物中，开发了可溶液处理的n-掺杂石墨烯阴极界面材料PDINO-G。通过电子自旋共振、拉曼光谱和X-射线光电子能谱结果验证了PDINO中氮氧自由基能够和石墨烯发生分子间n-掺杂效应，使基于PM6:Y6光活性层的效率从15.3%提高到16.52%。.（4） 通过物理掺杂将单壁碳纳米管分散到苝二亚胺（PDI）衍生物PDIN和PDINO中，制备了可溶液加工的n-掺杂单壁碳纳米管复合阴极界面材料PDI-CNT，能够使基于二元PM6:Y6和三元PM6:Y6:PC71BM光活性层的光伏器件分别获得了17.1%和17.7%的能量转换效率。.（5）设计合成一系列具有相同非共轭主链结构和不同极性侧链的醇溶性阴极界面材料。研究发现阴极界面材料和受体分子之间能通过n-掺杂效应显著提高电荷迁移率，了解阴极界面材料的不同侧链结构和受体分子间n-掺杂效应间的关系，为高性能阴极界面材料的设计开发提供科学基础。.（6）通过调控末端氟化的密度和位置，在IDIC的基础上合成了IDIC-2F和IDIC-4F受体材料。其中PTQ10: IDIC-2F混合膜具有最平衡的电荷迁移率、更致密的面外π-π堆积距离和更小的相干长度值。基于单氟化的IDIC-2F受体的有机太阳能电池获得了13.02%能量转化效率，在80 nm薄膜和354 nm厚膜下，器件仍然保持了12.00%和11.46%的高效率。