基于液晶有序与嵌段共聚物自组装协同优化P3HT/PCBM本体异质结微观形貌制备高效稳定聚合物太阳电池

Precise control of the phase separation behavior on nanoscale and regulation of the order of P3HT molecular chains packing and PCBM aggregation within the P3HT/PCBM bulk-heterojunction active layers to obtain stable and ordered nanostructure with interpenetrating networks is the key to improve the power conversion efficiency (PCE) and stability of P3HT/PCBM bulk-heterojunction (BHJ) solar cells. In this project, liquid-crystalline rod-coil block copolymers containing P3HT segments are rationally designed and synthesized by introduction of liquid crystal molecules with phenyl conjugated structure into the coil segments. The liquid-crystalline rod-coil block copolymers are then introduced into the P3HT/PCBM blends acting as compatibilizers. The application of liquid-crystalline block copolymers compatibilizer within P3HT/PCBM blends can effectively reduce interfacial tension, stabilize interfaces and obtain the nanoscale phase separation. Meanwhile, the introduction of liquid crystal molecules with phenyl conjugated structure into the coil segaments can improve the conductivity of insulated coil segments. More importantly, the liquid crystal ordering and block copolymer self-assembly can cooperatively mediate the microphase separation behavior and phase orderness on the nanometer scale within P3HT/PCBM BHJ for optimizing exciton dissociation, charge transportation and collection. Combination of optimized device structure and buffer layer materials, the P3HT/PCBM solar cells with high PCE and long-term stability are fabricated.

纳米尺度上精确调控P3HT/PCBM共混体系的相分离行为，调控P3HT分子链堆砌和PCBM聚集的有序性，获得稳定、微观结构有序的互穿网络纳米结构，是提高P3HT/PCBM太阳电池效率和稳定性的关键。本项目将具有苯环共轭结构的液晶小分子引入到含P3HT嵌段的硬-软嵌段共聚物的软段上，改善软段的导电性，合成液晶性嵌段共聚物，并将其作为增容剂调控P3HT/PCBM共混物微观形貌。该类增容剂的应用，不仅能够有效降低P3HT/PCBM间的界面张力，稳定两相界面，获得稳定的纳米尺度上的相分离，而且在液晶有序和微相分离的协同作用下，调控P3HT分子链堆砌及PCBM聚集的有序化，实现纳米尺度上对P3HT/PCBM本体异质结微观相分离行为、相内有序性的有效、精确地优化，建立微观结构与器件性能之间的关系，获得利于激子分离、载流子传输和有效收集的微观结构。结合器件优化，制备高效稳定的P3HT/PCBM太阳电池。

近年来，有机本体异质结型太阳电池因其可溶液加工、质量轻、成本低、可制备大面积、可弯曲器件等特点引起研究人员的广泛关注。在纳米尺度上精确调控P3HT/PCBM和P3HT/无机半导体纳米晶共混体系的相分离行为，调控电子给体P3HT分子链堆砌和电子受体PCBM、无机半导体纳米晶聚集的有序性，获得稳定、微观结构有序的互穿网络纳米结构，是提高有机本体异质结型太阳电池效率和稳定性的关键。针对于此，本项目充分利用液晶小分子的液晶取向行为和嵌段共聚物的自组装行为实现在纳米尺度上对P3HT/PCBM和P3HT/无机半导体纳米晶本体异质结微观相分离行为的有效、精确调控，建立微观结构与器件性能之间的关系，获得热力学稳定的、利于激子分离、载流子传输和有效收集的微观结构，结合器件优化，制备高效稳定有机本体异质结型太阳电池。研究发现，液晶小分子的有序取向行为能够有效驱动本体异质结形成更为有序的微观结构，同时提高P3HT的结晶性和链段堆砌的有序性，为激子分离和载流子的传输与收集提供更大的异质结界面面积和有效传输通道，从而提高器件效率。此外，全共轭嵌段共聚物作为增容剂或结构诱导剂加入到本体异质结中，能够利用嵌段共聚物的自组装行为有效降低两相之间的界面张力，改善两相间的相容性，促使其形成纳米尺度上的双连续互穿导电网络结构，利于激子分离。同时，提高P3HT链段的结晶性及有序堆砌，利于载流子传输。嵌段共聚物添加剂还能够稳定两相界面，提高本体异质结的微观形貌稳定性，从而提高器件的光电转换效率和稳定性。以上研究工作证明，液晶取向有序和嵌段共聚物自组装能够实现在纳米尺度上对本体异质结微观结构和光伏性能的调控，该项目的实施为实现本体异质结微观结构的可控，提高有机太阳电池效率和稳定性提供了有效的途径。此外，本课题组还围绕采用多氨基大分子构建的二维钙钛矿材料和金属离子掺杂的氧化镍空穴传输材料提高钙钛矿太阳电池的效率和稳定性进行了部分研究工作，为实现高效稳定钙钛矿太阳电池提供新思路。