低表面能的交联高分子阳极界面材料

Anode/cathode interfacial layer materials are crucial for the device performance of polymer solar cells (PSCs). PEDOT:PSS is often used as anode interfacial layer in most PSCs, however, the relatively high acidity and high surface energy of PEDOT:PSS are harmful to the device lifetime and performance. In this project, we aim to develop a kind of crosslinkable polymer anode interfacial materials with low surface energy and thick-insensitivity, and further to enhance PSC device performance with these interfacial materials through improving active layer morphology. Our approach is to introduce different side chains onto polymer backbone to tune the surface energy, introduce crosslinkable groups to realize solution-processability of multilayer device, improve conductivity by means of chemical doping to realize thick-insensitivity. This project will successfully develop a new kind of anode interfacial materials with low surface energy for improving active layer morphology and enhancing the PSC device performance.

电极界面材料对高分子太阳能电池的性能具有重要影响，传统阳极界面材料PEDOT:PSS酸性强、表面能大，不利于正置器件的寿命及效率。本项目旨在开发一类低表面能、且无厚度依赖性的交联高分子阳极界面材料，利用阳极界面层对活性层形貌的诱导作用，提升高分子太阳能电池器件效率。其途径是在聚（芴-三芳胺）结构基础上，引入不同侧链调节表面能，同时引入交联基团实现多层器件溶液加工，并利用掺杂提升电导率实现无厚度依赖性。该研究将拓展出一类低表面能的新型高分子阳极界面材料，为调控活性层形貌、发展高性能高分子太阳能电池器件提供材料保障。

电极界面材料对高分子太阳能电池的器件性能具有重要影响，传统阳极界面材料PEDOT:PSS的表面能大，不利于正置器件性能。本项目发展了一类具有低表面能特征的芴-三芳胺类高分子阳极界面材料，通过降低阳极界面的表面能，调控正置器件中活性层给体受体相分离的纵向分布，提升了器件性能。系统研究了芴-三芳胺类高分子的化学结构对材料表面能、交联行为、吸收光谱、能级结构等的影响，实现材料表面能低至25 mJ m-2。将芴-三芳胺类高分子阳极界面层应用于富勒烯体系的高分子太阳能电池，实现器件性能由6.5%提升至7.3%；应用于全高分子太阳能电池，在室内光源下的效率由19.0%提升至22.3%。该系列工作充分证实了应用低表面能阳极界面层是提升高分子太阳能电池正置器件性能的一种有效策略。进一步地，基于三芳胺类高分子表现出高能级、空穴传输的p型特性，且三芳胺与三芳基硼均属于p-π共轭结构，本项目利用三芳基硼中硼原子的空2p轨道，发展出一类基于三芳基硼结构的p-π共轭n型高分子半导体。三芳基硼p-π共轭高分子表现出低能级、电子传输性质，将其作为电子受体应用于全高分子太阳能电池，初步实现了2.8%的能量转换效率。进一步设计开发了三芳基硼p-π共轭n型小分子，可以作为电子受体材料，成功应用于有机太阳能电池，实现了4.1%的能量转化效率；而且三芳基硼p-π共轭小分子表现出主链实现醇溶的独特性质，并因此报道了醇加工的有机太阳能电池器件，初步实现能量转换效率为1.0%。不同于传统的π共轭策略发展n型有机/高分子半导体，该系列工作提出了基于三芳基硼p-π共轭策略发展n型有机/高分子半导体，为n型有机/高分子半导体材料的开发提供了新思路。