非富勒烯小分子太阳能电池纳米结构形成机制研究

Organic solar cell offers an affordable option for renewable energy and is a cornerstone of the green energy source for a sustainable society. Recently, leading by several groups of Chinese scientists, the invention of a groups on non-fullerene acceptor materials initiated a major breakthrough in power conversion efficiently of the organic solar cells. However, the nanostructure formation and degradation mechanism of non-fullerene accepters cannot be readily understood by the well established knowledge accumulated from fullerenes. In order to generate a clear understanding on the formation and degradation process of the nanostructure consist non-fullerene acceptors, the proposed project aims to study the crystallisation kinetics of non-fullerene acceptors, such as ITIC, and reveal the "processing-structure-performance" relationship during the thermal annealing. Additionally, by systematically modifying the chemical structure of ITIC and studying the “chemical structure–crystallisation kinetics–nanostructure” relationship of the derivatives, the proposed project is set to establish a method of molecule design and modification for optimising the nanostructure and nanostructure stability of the non-fullerene acceptor organic solar cells.

有机太阳能电池提供了一条廉价的可再生能源新途径，是可持续发展社会中绿色能源的重要组成部分。近年来，我国科学家主导的新一代非富勒烯受体材料的发明，实现了有机太阳能电池能量转换效率的突破。可是，成熟的传统富勒烯体系的结晶动力学机制不能被用来理解非富勒烯材料的纳米结构形成和退化。针对非富勒烯受体纳米结构形成和退化机制的理论空白，本项目旨在研究以ITIC为代表的非富勒烯受体的结晶动力学特征，揭示退火过程中的“工艺—结构—性能”关系；并通过对分子结构的系统调整，探明“分子结构—结晶动力学—纳米结构”关系，并从中总结出一套从优化纳米结构和纳米结构稳定性出发的分子设计和分子改进的技术方案。

青年科学基金项目“非富勒烯小分子太阳能电池纳米结构形成机制研究”通过对一系列非富勒烯体系的研究，阐明非富勒烯受体有机太阳能电池本体异质结的形成和退化机制，其重点在于研究分子结构对这一机制的影响，目的在于提出一套基于分子结晶动力学理论，从而优化纳米结构出发的分子设计及分子改进的技术方案，从而对非富勒烯受体材料分子设计提供指导。项目中，首先进一步研究了经典结晶动力学理论对非富勒烯小分子受体材料的适用性，明确了焓调控和熵调控两条分子工程路径。以此为基础，设计合成并表征了30余个体系共70种新型有机光伏材料，系统研究了分子结构对非富勒烯小分子太阳能电池纳米结构的影响。其中主要的研究方面有：（1）苝二酰亚胺类非富勒烯小分子受体的分子平面性调控对薄膜纳米结构影响；（2）多体系分子内构象锁调控分子构型一致性对薄膜纳米结构的影响；（3）给受体类非富勒烯小分子受体材料二维侧链空间位阻效应对薄膜纳米结构的影响；（4）三元无规共聚策略调节结晶动力学过程对薄膜纳米结构的影响；（5）多元共混器件结构对薄膜纳米结构的影响。前三条途径为焓调控，后来两条路径为熵调控。通过对分子结构—结晶动力学—纳米形貌—器件效率的关系的系统性研究，发展了一系列高性能有机光伏材料体系，在多个材料体系中实现了能量转化效率的突破，证明从优化纳米结构出发的分子设计是实现有机光伏材料性能提高的有效途径。更重要的是，本项目总结出了一系列的纳米形貌调控分子工程工具，为设计合成具有优化纳米相分离形貌的高效有机光伏材料提供了理论依据。