小分子给体/高分子受体有机太阳能电池

Due to the large-scale phase separation induced by the strong crystallinity of small molecule donors, the performance of organic solar cells (OSCs) based on small molecule donor/polymer acceptor system is relatively low. The aim of this project is to develop high-performance small molecule donor/polymer acceptor type-OSCs with our research foundation of polymer acceptor materials based on boron−nitrogen coordination bond (B←N). We strive to obtain efficient devices with power conversion efficiency exceeding 10% through manipulating the phase separation morphology of the small molecule donor/polymer acceptor blend. Our approach is to incorportate the bulk groups into the side chain to reduce the crystallnity of the small molecule donors, and choose the B←N based polymer acceptors with suitable solubility and crystallinity to match with the weak crystalline small molecule donors for the good phase separation morphology. This research will not only develop high-performance OSCs based on small molecule donor/polymer acceptor, but also provide new methods and new knowledge for the good match between the donor and acceptor in the bulk heterojunction OSCs.

基于小分子给体/高分子受体的有机太阳能电池性能偏低，原因在于小分子给体材料的结晶性较强，导致共混相分离尺寸过大。本项目旨在发展基于小分子给体/高分子受体体系的高性能有机太阳能电池，基于自主的硼氮配位键高分子受体材料，通过调控小分子给体与高分子受体的共混相分离形貌，力争使器件的能量转换效率突破10%。其途径是在小分子给体的侧链中引入大位阻基团，降低小分子给体的结晶性；同时选择结晶性和溶解性合适的硼氮配位键高分子受体材料，与弱结晶性的小分子给体在相分离形貌上匹配。该研究将一方面发展出高性能的小分子给体/高分子受体有机太阳能电池，另一方面为有机太阳能电池的给受体匹配提供新认识和新方法。

传统小分子给体聚集结晶过强，与高分子受体共混时容易形成大尺寸相分离，较差的活性层形貌限制了该类有机太阳能电池的性能。本项目出提出基于自主的硼氮配位键高分子受体，发展弱结晶性小分子给体，通过改善给体与受体在聚集结晶行为上的匹配性来优化活性层形貌，制备高性能小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池。取得的主要成果如下：（1）通过在中心核单元引入大体积侧基，开发出多种弱聚集性小分子给体材料，包括DR3TBDTC和BD3T等，活性层溶液的成膜过程由小分子聚集结晶主导转变为高分子聚集主导。进一步增加高分子受体的分子量和改变共聚单元类型，可增强高分子受体的溶液聚集能力，促进高分子受体有序堆积。小分子给体与高分子受体聚集结晶行为匹配性的改善可以有效抑制小分子给体的大尺寸相分离，形成给受体的双连续有序聚集体网络；（2）基于弱聚集小分子给体BD3T与含硼氮配位键的高分子受体PBN-15共混体系，制备的有机太阳能电池器件能量转换效率达到9.51%，为当时小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池效率的最高值。此外，小分子给体/高分子受体的有序聚集体网络形貌具有优异的热稳定性，活性层在180℃高温退火7天，相应器件仍可保持89%的初始效率，结合电极界面优化，该类有机太阳能电池器件在150℃高温下工作3天，仍可保持84%的初始效率；（3）进一步将聚集与结晶行为匹配策略用于其他给体与受体组合，实现了共混形貌和电池性能的提升，基于高分子给体/高分子受体型有机太阳能电池在室内弱光下实现了27.4%的效率，基于高分子给体/非富勒烯受体实现了17.98%的电池效率。基于该项目，我们在Nat. Commun.、Adv. Energy. Mater.等高水平学术期刊上发表SCI论文14篇。本项目提出的通过改善给体与受体聚集结晶行为的匹配性来优化共混形貌，以及利用给受体有序聚集体网络构建高热稳定性活性层的策略，对于发展高性能热稳定性有机太阳能电池的具有重要意义。