非富勒烯受体有机光伏电池中分子取向调控与光电特性研究

As a new generation of clean energy，power conversion efficiency was limited by the poor film morphology and charge transport is the core challenge of non-fullerene organic photovoltaic cells(OPVs). Molecular orientation engineering has been considered one effective method to regulate the interface energy alignment and charge transport of organic film, but the molecular orientation effect on the characteristics of organic film study is still in its infancy. This project aims to solve this critical scientific issue and make the physical mechanisms underneath more clear through systematically study the effect of molecular orientation engineering on interfacial characteristics in non-fullerene organic photovoltaic cells. The specific contents are as follows: firstly, the regulation mechanism of the molecular orientation engineering; secondly, the influence of molecular orientation on interfacial electronic structure; thirdly, the interaction mechanism between molecular orientation and charge transport; at last, the fabrication of devices with highly molecular orientation film. Based on the thorough investigation on the interfacial molecular orientation regulation mechanism with electronic structures, charge transport and devices performance, This project will provide a new program to solve the problems and promote the further commercialization of OPVs.

非富勒烯有机光伏电池作为新一代清洁能源，其面临的核心挑战之一就是薄膜结构形态和电荷输运性能较差，限制了器件转换效率的进一步提升。分子取向调控技术是一种有效调控薄膜界面能级和电荷输运的途径，但分子取向调控有机薄膜界面特性的研究还处于起步阶段。本课题针对这个重要问题，对有机薄膜分子取向和界面光电特性进行重点研究，具体内容包括：(1) 有机薄膜分子取向可控制备；(2) 分子取向对薄膜能级结构的影响机制；(3) 分子取向对电荷输运的作用机制；(4) 具有分子取向高性能光伏电池的制备。通过本项目的研究，深化对分子取向与能级结构、电荷输运和器件效率之间相互关联的物理机制的理解，力求解决影响器件性能的关键技术，具有明显的科学价值和较好的应用前景。

随着人类社会发展对能源的需求越来越高，有机光伏电池显示出较好的发展前景和应用空间。由于有机薄膜结构形态和电荷输运性能较差，限制了器件转换效率的进一步提升，仍需要更深入的研究，尤其是通过分子取向调控界面能级和电荷输运来更有效的实现器件性能提升。.在本项目基金的支持下，项目负责人和研究团队经过三年的研究，从有机薄膜的分子取向制备、能级排列和电荷输运等方面入手进行深入的分析，通过调控分子取向，最终实现了基于分子取向的高效率有机光电器件的制备，提高了器件效率。具体如下：(1)首先对基底表面进行了修饰，通过研究不同表面能的基底对分子的取向影响关系，最终选择合适的方法进行表面修饰并应用到器件性能改善。在此基础上采用NPB分子在不同修饰的基底上进行器件制备，通过调控实现了较低的传输势垒，从而实现了器件较小的开启电压，为进一步设计制备高性能的有机光电器件提供了基础。(2)在基底修饰的基础上，制备了不同掺杂比例的有机薄膜，通过掺杂薄膜电荷转移来调控分子取向和能级排列，通过工艺优化引入到器件中，实现了界面能级的调控。在此基础上，采用ITO/EL/HATCN/Li:Bphen/TPBI/EL/LiF/Al结构，制备的常规器件的发光效率提升了50%，在400cd/cm2的条件下，寿命达到20万小时。(3)在前面的基础上，制备了不同比例的非富勒烯受体掺杂薄膜，研究了薄膜在不同溶剂、退火温度、掺杂比例下异质结薄膜的制备和物理化学性质变化，同时也研究了不用分子基团对聚合物薄膜特性的影响。通过对薄膜的能级结构和电荷输运进行研究，发现在不同比例掺杂后，分子之间形成的正电荷和负电荷相互作用的引力占主导地位，导致高分子有序的排布，即利于电荷传输，又有利于形成具有分子取向的薄膜结构。