共轭聚合物/非富勒烯光伏电池活性层共混相调控

Nonfullerene small molecule acceptors possess the advantages of strong light absorption and tunibility of the energy level compared to fullerene acceptors, which makes the polymer/nonfullerene small molecule acceptors blends as active layer be the most attractive research frontiers in organic photovoltaic cells. The morphology of the active layer plays a crucial role in determine the power conversion efficiency of devices. The ideal morphology of the active layer should comprise a pure donor and acceptor phase with large intermixed phase, where the amount and composition of intermixed phase have great influence on exciton diffusion, the dissociation of charge transfer state and carrier mobility. Therefore, our work will focus on controlling the intermixed phase in polymer/nonfullerene small molecule acceptors blends as the following aspects in this project: (1) Combine the solution state with film-forming kinetics to control the content of intermixed phase via regulating the sequence of crystallization of donor and acceptor. (2) Adjust the ratio of donor to acceptor in intermixed phase by independently controlling the crystallization process of donor and acceptor in blend system. (3) Reveal the effects of the content and composition of intermixed phase on the dissociation of CT state, carrier mobility, geminate and nongeminate recombination, and establish the relationship between the intermixed phase and photophysical process of devices.

共轭聚合物/非富勒烯小分子光伏电池可有效解决共轭聚合物/富勒烯光伏电池中富勒烯分子光吸收能力差及LUMO能级低等问题，是国内外研究的热点。光伏电池中活性层形貌对器件性能具有至关重要的影响，理想形貌要求给受体分别形成连续通路，通路间存在适量的给受体共混相。其中共混相含量及组成直接影响激子扩散、电荷转移态分离及载流子传输等光电转换过程。然而，由于共轭聚合物与非富勒烯小分子间作用复杂，目前缺失调控共混相的相关原理及有效手段。针对以上问题，本项目围绕如何调控共轭聚合物/非富勒烯小分子共混体系共混相这一主题，拟开展三方面研究：（1）将溶液状态与成膜动力学相结合，通过控制给受体结晶顺序，实现共混相含量调控；（2）通过独立控制共混体系中给体与受体结晶过程，实现共混相中给受体比例的调节；（3）揭示共混相含量及组成对电荷转移态分离效率、载流子传输、单分子及双分子复合等影响，阐明其与器件光物理过程间的关联。

共轭聚合物/非富勒烯小分子光伏电池可有效解决共轭聚合物/富勒烯光伏电池中富勒烯分子光吸收能力差及LUMO能级低等问题，是国内外研究的热点。光伏电池中活性层形貌对器件性能具有至关重要的影响，理想形貌要求给受体分别形成连续通路，通路间存在适量的给受体共混相。其中共混相含量及组成直接影响激子扩散、电荷转移态分离及载流子传输等光电转换过程。然而，由于共轭聚合物与非富勒烯小分子间作用复杂，目前缺失调控共混相的相关原理及有效手段。针对以上问题，本项目通过联动调控结晶动力学与热力学控制给受体结晶过程，实现了共混相含量及比例的调控，具体内容如下：（1）将溶液状态与成膜动力学相结合，通过控制给受体结晶顺序，实现共混相含量调控；（2）通过独立控制共混体系中给体与受体结晶过程，实现共混相中给受体比例的调节；（3）揭示共混相含量及组成对电荷转移态分离效率、载流子传输、单分子及双分子复合等影响，阐明其与器件光物理过程间的关联。具体成果如下：（1）揭示共轭聚合物分子量影响共混相含量及组成的本质，建立了共轭分子结晶微观机制与凝聚态结构间的联系；（2）从共轭分子结晶热力学及结晶动力学过程出发，独立控制给受体结晶过程，实现共混相含量及比例的精准控制；（3）建立不同共混体系给受体共混相含量与器件光物理过程间的关系。通过总结上述规律，获取了影响共混相行为的关键性物理参数，为构筑非富勒烯太阳能电池活性层多层次结构奠定基础；建立了共混相-光物理过程-器件性能间的联系。本项目取得的研究成果可为制备高性能光伏电池提供理论及技术支持，对本领域发展具有推动意义和引领作用。