共轭半导体高分子构象统计与光电器件性能关系的理论研究

近年来，共轭半导体高分子共混物在新一代有机光电领域得到了广泛的应用。实验研究发现，共混物的相分离形貌对器件性能具有显著影响，研究相分离形貌对进一步优化器件性能具有重要的科学指导意义。本课题将发展适合半导体高分子形貌研究的三维光电器件模型，在此基础上从高分子构象统计出发，结合含时Ginzburg-Landau(TDGL)理论研究高分子共混体系热力学性质和制备的动力学过程与光电器件性能之间的关系，考察优化相分离形貌的具体标准。本研究还将结合自洽场理论探讨高分子嵌段共聚物的稳定纳米结构对器件工作效率的影响，并就嵌段共聚半导体的应用前景作出理论上的预测。本工作将深入考察高分子光电器件中两相形貌的作用，为高分子光电器件的实际应用提供理论指导。

近年来，共轭半导体高分子共混物在新一代有机光电领域得到了广泛的应用。本项目旨在从理论上研究共轭半导体高分子相分离形貌与光电器件性能的关系。其核心内容在于发展适合半导体高分子形貌研究的三维光伏器件模型，并用于研究迁移率等一些重要物理性质，为高分子光伏器件的实际应用提供理论指导。在具体执行中分为以下几个主要部分：. 一、迁移率在本体异质结太阳能电池中作用。我们采用三维主方程的模拟方法，对迁移率在本体异质结太阳能电池中的作用进行了研究。模型包含了能量涨落和形貌，得到器件效率随迁移率升高的结果。由于分子无序，这一效率伴随着相当大的电荷传输损失。另一方面，在足够高迁移率下，开路电压有一定程度的下降，这是因为形貌缺陷引起的双分子电荷复合所致。研究同时表明，给受体界面过程的物理描述对本体异质结太阳能电池模拟有很大影响。. 二、有机半导体中的无序调制下的电荷输运理论。我们提出了有机半导体中的载流子的输运在极大程度上被能量涨落所调制。这种调制效应导致了迁移率温度关系主要由材料无序程度决定：迁移率的对数与温度倒数间存在幂指数关系，其幂指数随无序度可以从Arrhenius一次方关系连续过渡到非Arrhenius 二次方关系；在弱涨落下体现出类能带输运温度特性，在强涨落下体现出跳迁输运温度特性，从而揭示了有机材料类能带输运的起源为浅陷阱态下迁移率增大。该理论给出了一类典型有机半导体在浅陷阱态输运特性的统一描述。. 三、迁移率的“非晶格主方程”模型研究。我们发展出“非晶格主方程”模型，来计算由耗散粒子动力学（DPD）产生的形貌中的迁移率问题。主要工作集中在建立“非晶格主方程”器件模型，并用它研究相分离热力学性质和制备的动力学过程对光电器件性能的影响。. 四、聚合物太阳能器件中的相关问题研究。它包括以下两个方面：1、聚合物太阳能器件中共混体系的相分离问题；2、半刚性链的理论模拟及其应用。这两方面的工作都取得了重要进展，后续工作正在进行之中。. 上述一些工作已发表在Appl. Phys. Lett.、J. Chem. Phys.、J. Phys. Chem. B、Macromolecules等本领域主要期刊上。