面向三元太阳电池研究的小分子活性层材料的设计与合成

Organic solar cells have the advantages of lightweight, flexible, and large-area printing fabrication. This technology is also considered to be one of the most promising solutions to solve the current energy crisis. Ternary solar cells developed from the single-layer binary cell devices can achieve the purpose of wide spectral response range, low energy loss and high power conversion efficiency, which benefit to the application in the future. Although there are already research groups that have carried out research on ternary solar cells, researchers have focused on how to improve the power conversion efficiency of solar cells through device preparation processes, and rarely on the material design, working mechanism of ternary solar cells. And there is no systematic study on the intrinsic relationship between molecular crystallinity, film morphology changes and device performance enhancement. We can fabricate high power conversion efficiency device by rational molecule design, material selection and optimized fabrication process and further verify the impact of the third component on the ternary film system. We will focus on the significant effects of fluorescence resonance energy transfer and induced co-crystallization effects in the ternary system. Finally, we can also systematically explain the synergistic effect of these functions on the performance of ternary solar cells and get general rules which can guide the subsequent researches.

有机太阳电池具有轻质、柔性、可大面积印刷加工等优点，因此这一技术也被认为是最有希望解决目前能源危机的途径之一。在单层器件基础上发展起来的三元电池可以实现宽光谱响应范围、低能量损失、高光电转换效率，这将有助于有机太阳电池的最终应用。虽然说，已经有课题组开展了三元太阳电池的研究，但研究人员把重点聚焦在如何通过器件制备工艺提高电池的光电转换效率上，很少就三元太阳电池的材料设计、工作机理、以及分子结晶性、薄膜形貌改变和器件性能增强之间的内在关联做系统的研究。本项目将通过合理地设计分子结构、目的性地选择材料组合、优化制备工艺得到高效三元太阳电池，并进一步针对性地验证第三组份对三元薄膜体系的影响，我们将重点阐述荧光共振能量转移和诱导共结晶效应在三元体系中的显著效果。最后，系统地解释这些功能的协同作用对三元太阳电池性能的最终影响，并得到一般性的规律指导后续的研究。

有机太阳电池将在光伏建筑一体化以及电动汽车领域有广泛的应用。当前宽带隙的受体材料研究比较有限。我们成功地将弱吸电子末端基团TBTA引入到分子中。通过改变了TBTA上的取代基的大小和类型，去调节材料的聚集性能。最终得到了一系列具有浅LUMO能级的宽带隙电子受体材料。这些材料与PCE10或者PM6共混制备的太阳电池的开路电压分别大于1 V和1.2 V。TBTA上是乙基和苯基取代的电子受体展现了更好的光伏性能。这主要得益于电子受体与PCE10共混后有更小的lamellar stacking距离以及在共混薄膜中形成了更好的异质结结构。研究揭示了非富勒烯电子受体末端基取代中存在一个与中等长度的碳氢链相关的理想的结晶度窗口。在这基础上，我们制备了一系列高效的有机三元太阳电池。该三元太阳电池主要包括IDTT-M、PM6和Y6。IDTT-M位阻特别小，分子的堆积性能很强。研究发现，IDTT-M嵌入到Y6的区域中，并且没有破坏Y6分子堆积，因此薄膜电子迁移率没有明显的变化，大致在3.70×10−4 cm2 V−1 s−1左右。此外，IDTT-M与Y6协同作用调节了PM6的堆积方式，使得共混薄膜的(010)衍射峰从1.75 Å-1 移动到1.71 Å-1，这说明分子的π-π堆积更加紧密，优化的共混薄膜的空穴迁移率得到增强。最主要的是，IDTT-M和Y6之间有效的荧光共振能量转移为促进激子高效离解和电荷收集提供了新的途径。基于此，器件的外量子效率最高超过了87%，光电转换效率显著提高到16.63%，并伴随着短路电流，开路电压，填充因子的同步提高。此外，我们对高效聚合物材料体系开展了逐层加工工艺的研究，通过控制聚合物在溶液状态的预聚集状态，可以实现对底层聚合物薄膜的结晶度和微观结构的有效调控。在这基础上，我们得到了光电转换效率超过18%的器件。总之，我们的研究证实了末端基取代对非富勒烯电子受体光伏性能的显著影响，这为后续的非富勒烯电子受体的研究积累了经验。我们关于高效三元太阳电池的研究证实了荧光共振能量转移在提高三元太阳电池器件光伏性能上的显著作用。最后，在逐层加工制备高效有机太阳电池的研究基础将为后续大面积电池的制备积累了经验。