高效全聚合物有机太阳能电池的材料设计与器件优化

Low temperature solution-processed polymer solar cells can be fabricated on plastic substrates, offering advantages such as light weight, mechanical flexibility and semi-transparency. However, the conventional acceptor fullerene derivatives like PC71BM demonstrate critical issues including limited light absorption in the visible and infrared region, high-cost, fixed chemical and electronic properties, as well as instable morphology under elevated temperatures. In contrast, polymer acceptors possess many advantages, including enhanced absorption, tunable chemical and electronic properties, improved thermal stabilities and mechanical properties for future fabrication of stable high-performance devices with large-area. We plan to design polymer acceptors with new molecular structures, resulting in high device performance when working with polymer donors; We will also use new solvent additives to further improve device morphology and enhance carrier separation and transport; For the device structure, we will adopt ternary composites and tandem structure to enhance light harvesting and broaden the absorption range, raising the power conversion efficiency to 10-12%. Now the all-polymer solar cells already show rapid progress. With the fast development in material design, device optimization and mechanism study, all-polymer solar cells will demonstrate huge potential in application as the next generation solar cells.

基于低温溶液法加工的有机聚合物太阳能电池具有生产成本低，半透明，轻便易携带和可采用柔性衬底制备大面积器件等优点。但是其采用的富勒烯受体材料在可见和近红外区域的吸光系数较低，化学结构修饰困难，常见PC71BM价格昂贵，特别是富勒烯分子在较高温度下容易发生聚集，影响薄膜形貌和器件寿命。而采用聚合物作为受体材料，可以有效的增加吸收，改善电池器件的热稳定性和机械加工性能，有利于后期大面积稳定高效电池器件的制备。我们拟设计新型结构的聚合物受体材料，提升与给体的匹配度；我们同时采用新型的溶剂添加剂，进一步优化器件的形貌，改善电荷的分离和输运；在器件结构上，我们拟采用三元组分和叠层结构来增强光吸收和宽谱响应，将全聚合物太阳能电池能量转换效率提高到10-12%。全聚合物太阳电池已经展现出迅速的发展趋势，随着新材料、器件制备工艺的优化和器件机理方面的深入研究，全聚合物太阳能电池将会有更加广阔的发展前景。

本项目从新型聚合物的设计制备、性能测试以及在新型光伏器件中的应用开展深入系统的研究。本研究的具体研究总结如下。通过经典的 Stille 偶联聚合反应，对聚合物单体的组分进行优化和化学设计，合成制备材料组分和光电性能灵活可调的新型 P 型和 N 型共轭聚合物材料。基于以上思路，我们设计制备的新型聚合物在全聚合物太阳能电池展现出良好的性能，实现了单节~10％的全聚合物太阳能的电池，并实现了热稳定性 1000 小时的优异稳定性，达到文献报道的最优值之一。利用三元组分聚合物光学性能可调的优势，发展了窄带隙的三元 D1-A-D2-A 共轭聚合物 PBFSF，首次实现了最高光电转换效率的吸收光谱互补型全聚合物叠层器件。同时我们进一步的拓宽了共轭聚合物在新型太阳能电池领域的研究应用: 1.利用聚合物可低温溶液加工的特性，同时分子结构灵活可调，我们发展了基于共轭共轭聚合物的非掺杂空穴材料，实现了 15％的高效纳米晶太阳能电池的同时，推动了纳米晶电子大面积器件的制备，简化工艺流程，并确定目前文献领先的效率指标； 2. 利用聚合物化学结构灵活调控的优势，将共轭聚合物作为高效的钝化剂应用于新型钙钛薄膜太阳能电池，共轭聚合物的加入可以有效钝化甲胺铅碘钙钛矿薄膜，同时本身的疏水性质又可以起到保护钙钛矿薄膜的左右，最终实现了光电效率超过 20％的太阳能电池器件，在低湿度的空气环境中稳定性也得到了显著的提升。综上，本研究以制备高质量新型共轭聚合物材料为基础，以发展高性能功能化的有机聚合物太阳能电池为出发点，借助有机半导体材料辅助钙钛矿和纳米晶薄膜的缺陷态钝化，发展基于低温溶液制备高效率、稳定的新型太阳能电池，为推动新型太阳能电池的发展打下基础。