软X射线共振散射方法发展及其在有机太阳能电池领域的应用

Organic solar cell is a hot research area in energy field due to its ability to produce soft large-area devices. The microstructure of organic semiconductor layer, including crystalline structure and phase-seperation structure, dramatically influence the device performance. Although resonant soft X-ray scattering is a powerful method to characterize the phase-seperation structure and is widely used by many Chinese research group, there is no such measurement system in China yet and the development of corresponding methodology is also needed.. This project will set up a synchrontron resonant soft X-ray scattering system in SSRF and carry out study of corresponding methodology. Then with the method such as grazing incidence X-ray diffraction that we set up early, we will systematically study the realtionship between molecualr structure, thin film fabrication method, microstructure and optic-electronic properties to provide new idea and method for high performance organic solar cells. This project will also raise the chacteriaztion and study level to the top of the world and facilitate the development of SSRF, NSRL and HEP.

有机太阳能电池因其可以制备柔性大面器件成为了能源领域的一个热门方向。有机半导体活性层的薄膜微结构，包括结晶结构和相分离结构，是影响器件效率的关键因素。软X射线共振散射方法是表征相分离结构的最有效手段，虽然国内有很多研究组都在使用，但是国内没有相应的测试装置，相关的方法学研究也还需要进一步深入。. 因此本项目拟根据科研需要在上海光源搭建并完善一套同步辐射软X射线共振散射测试系统，同时开展相关方法学研究。之后将其与我们已经建立的掠入射X射线衍射测试等方法一起并用系统地研究分子结构、制膜条件、薄膜微结构与光电性能之间的影响，为有机太阳能电池性能的进一步提高提供新的思路与方法。本项目的开展会使得我国在此方法上的表征和研究水平达到世界一流水平，为未来上海光源/合肥光源后期建设以及新北京光源的建设提供有力的技术支撑。

本项目基于上海光源软X射线BL08U1A线站，成功建立了软X射线散射实验平台，实现了高效率的软X射线共振散射（RSoXS）实验方法，并自主发展了共振散射数据分析方法和软件。该平台设计和安装了新型的真空内转盘式样品台，使一次性放入的样品数量从4个大幅提升到了40个，大大节省了更换样品所需时间，使散射实验效率提升了10倍以上。在此基础上，本项目还设计了一种新型的多功能紧凑式真空实验系统，将RSoXS、相干散射成像、吸收谱及荧光等多种实验技术集为一体，具有更为强大的研究能力。. 本项目将所发展的RSoXS方法成功应用于新型非富勒烯受体的有机太阳能电池体系的研究中，考察了PM6：Y6和D18:Y6共混膜的不同微结构对电荷载流子产生和输运过程的调控作用，发现优化的薄膜微结构可显著提高空穴迁移率和电荷产生能力，从而大幅提升了基于该薄膜的有机太阳能电池的光伏性能。研究中采用RSoXS分析了薄膜的相分离结构，并与掠入射X射线散射得到的薄膜结晶结构相关联，获得了活性层更全面的微结构解析。该研究为提升有机太阳能电池的光伏性能提供了微结构调控这一全新策略。. 本项目在软线散射平台上完善和改进了已有的相干散射成像实验方法，实现和改进了多种新型的相干散射成像重构算法和软件。1）首次提出了虚拟深度扫描相干散射快速3D成像技术，实现了厚样品的快速三维成像。2）提出了一种基于梯度下降法的新型背景噪声分离算法，改善了强背景噪声下相干散射重建图像的质量。3）发展了基于时序控制的双向扫描STXM技术，成像效率提升近十倍。4）提出了基于Fresnel相干散射成像的位置校正算法, 为相干散射图像重建提供精确的扫描位置信息。5）发展了新型焦点堆栈3D成像算法，实现了对稀疏样品的快捷STXM三维成像。6）发现较高的X光发散度有利于获得更好的多切片扫描相干散射成像质量。7）动量加速相干散射成像算法的实现及优化，大幅提升了图像重建速度及质量。. 本项目已在国内外期刊发表论文8篇，申请专利三项。