面向大尺寸低成本柔性的印刷聚合物太阳电池：阴极界面的优化研究

Flexible printed polymer solar cell is a new type of photovoltaic technologies with low-cost, light weight and broad applicability, which is a practical solution to the problems of worsening environment and the depletion of non-renewable energy reserves. Along with the demonstration of roll-to-roll printed organic solar cell module, the study on materials and devices toward large-scale low-cost and flexible device is triggered. However, currently the development of large-scale device faces many challenges. One of the solution is to use highly efficient and stable organic cathode interface layer. In this study, different kinds of organic cathode interface materials with good solution-processing ability and high performance will be used, realizing the high transport and extraction efficiency of electron in large-scale printed devices. The stability of the cathode interface under water and oxygen stress will be investigated systematically. The film quality will be optimized. We want to find out organic cathode interface materials with high efficiency and good stability, reveal the decay mechanisms and the method for interface material printing optimization. The above study will lead to the realization of optimal interface layer, and will provide the design theory for the materials development toward large-area fabrication. The outcome of this pioneering work will propel the development of flexible printed polymer solar cell.

柔性印刷聚合物太阳电池是一种成本低、质轻、适用性广的新一代光伏能源器件，是解决环境恶化和未来不可再生能源储量枯竭等问题的有效办法。随着卷对卷印刷工艺制备的有机电池组件的实现，专注于大尺寸低成本柔性器件的材料和器件优化的研究开启。但是，目前大面积器件的制备开发面临诸多挑战，解决问题的关键之一在于应用高效稳定的阴极界面层。本研究将在大面积印刷器件上应用种类众多，溶液加工性能突出和功能优异的有机阴极界面材料，用以实现器件中电子的高效传输和抽取，并系统研究不同阴极界面的水氧稳定性，优化有机阴极界面的打印薄膜质量。旨在筛选和开发高效稳定的有机阴极界面材料，揭示有机阴极界面层性能衰减机理和界面材料打印工艺优化途径。实现阴极界面有效优化，为开发新型的面向大尺寸制备的高效稳定有机阴极界面材料提供理论依据，取得国内首创、国际有影响力的科研成果。

柔性印刷聚合物太阳电池是一种成本低、质轻、适用性广的新一代光伏能源器件。目前该类器件的大面积制备面临诸多挑战。本项目开展有机界面材料物性与结构、器件稳定性、制备升级等的交互研究，通过材料创新、工艺创新和结构创新实现载流子的高效传输和抽取，探讨阴极界面层水氧稳定性的解决方法。至今已在国内外学术刊物上发表研究论文7篇，包括了影响因子>9的SCI一区论文3篇；三年来申请中国发明专利2篇，获授权1篇；发表第一署名的学术专著1章节；培养硕士研究生6名，已毕业3名。第一，我们利用材料表面能不同，诱导不同功能材料在溶液成膜时进行自组装分层，实现一步到位的器件构造，减少了阴极界面处暴露在空气中被氧化的问题；第二，我们通过超声喷涂和高压气体喷涂的协同工作，调控光学吸收层中微米和纳米级别的体相分离结构。最终减小器件对于入射光反射率，增强激子的分离和载流子的传输，促进了器件性能的整体提高；第三，我们系统研究了刮涂有机太阳电池的优化方法。实现目前基于绿色溶剂刮涂法制备的有机太阳电池的最高效率17.01%（认证为16.45%）。我们申获了该项工作相关的国家发明专利。第四，层压技术是生产柔性有机太阳能电池的最有前途和最有效的方法之一，它结合了高通量和实时封装的优点，也可以避免低功函界面的暴露进而影响器件的稳定性。我们系统展开了制备方法和器件结构的优化；第五，我们发展了柔性银纳米线/聚酰亚胺复合薄膜，获得111.3的平均品质因数。第六，针对钙钛矿太阳电池，我们开发了系列的BDT和BDD共聚物作为空穴传输层材料。通过侧链工程，引入咔唑共轭侧链获得最佳的器件性能。咔唑侧链和主链协同促进空穴传输，同时增强了聚合物链的共面性和相互作用。获得了22.06%的效率，且器件在环境条件下存储100天后可以保留超过90%的初始效率。此外我们将一些优异的界面材料和方法转移到光电探测器的研究领域。