有机光伏电池微观形貌预测的新方法以及高效稳定光伏电池的优化设计

The bulk heterojunction polymer solar cells are superior due to low price, solution preparation, flexibility, etc. Its efficiency largely depends on the morphology of the photoactive layer. This project proposes a new method to predict the morphology of bulk heterojunction polymer solar cells through a combination of atomic-scale simulation and mesoscopic simulation. The new method can successfully predict the parameters influencing the morphology, including the composition ratio, temperature, and the parameters not available from experiments, such as the Flory-Huggins parameters, etc. The new method provides a useful filter for designing new high efficient and stable BHJ polymer solar cells, which provides the effect of solvents, additives, molecular topology, composition ratios, etc. This project offers a new feasible protocol to predict the morphology of the organic photovoltaic cells, and provides the key tool at molecular level for designing organic photovoltaic cells. By combing with Monte Carlo methods and the drift-diffusion methods, this project forms a complete multi-scale protocol to simulate organic photovoltaic cells, which provides a solid theoretical foundation for the design of highly efficient and stable organic photovoltaic cells.

体异质结聚合物太阳能电池具有价格低、溶液制备、柔性等优点，它的效率很大程度取决于光活性层的形貌。本项目书提出了通过结合原子尺度模拟和介观尺度模拟来预测体异质结聚合物太阳能电池的形貌的新方法。新方法可以成功的预测影响形貌的重要参数，包括组成比、温度，并给出了实验中不能得到的参数的合理值，如Flory-Huggins相互作用参数等等，对设计BHJ聚合物太阳能电池提供了很好的参数调节方法，包括溶剂效应、添加剂、分子化学结构、多元组分的混合等不同参数，从而可以提供设计高效稳定的有机光伏电池的理论基础。本项目书提供了一个崭新的和可行的预测有机光伏电池微观形貌的模拟方法，为从头设计有机光伏电池提供了分子尺度的重要环节，通过和已有的Monte Carlo方法和drift-diffusion方法相结合，可以形成一个完善的多尺度的有机光伏电池的模拟流程，从而为设计高效稳定的有机光伏电池提供了坚实的理论基础。

整个项目按照预定的计划顺利完成，在本项目的资助下，在J. Am. Chem. Soc.等本领域顶级或一流学术期刊发表论文17篇(全部为通讯作者)。在本项目的资助下，共培养一名博士后出站，同时培养了1名博士研究生和7名硕士研究生。. 研究完成的工作包括：(1)结合原子尺度和介观尺度的多尺度的模拟方法预测了有机太阳能电池的微观形貌。通过构建聚合物太阳能电池的无定形结构的原子模型，并对其进行分子动力学模拟获得了相关的参数，包括不同分子的体积、溶度参数等，然后通过介观尺度的模拟得到聚合物太阳能电池的微观形貌。 (2) 与Graph Theory方法相结合我们预测了有机太阳能电池的效率。得到有机太阳能电池的形貌以后，我们对形貌进行了定量化的表征，具体为四个形貌表征因子：光吸收因子、电荷有效传输距离因子、电荷有效传输通道因子、通道双连续性因子，这样我们基于体系的化学结构，预测出有机太阳能电池体系的形貌和效率。(3) 通过我们的方法，我们对溶剂效应、添加剂效应、化学组分、化学结构、温度等重要参数对有机太阳能电池形貌/效率的影响机制进行了研究并进行了优化设计。