基于新型可溶液加工有机分子给体材料和非富勒烯受体材料的光伏器件

Solution-processable organic molecules have attracted broad interests for the applications in organic solar cells (OSCs), because of their advantages of high purity and definite molecular weight in comparison with polymers, and low-cost solution processability in comparison with vacuum-deposition organic molecules. It is a new try to fabricate OSCs based on the solution-processable donor materials and non-fulerene acceptor materials with the broad absorbance, suitable HOMO/LUOM energy levels, high mobility, suitable crystallization property and good film morphology through simple synthetic route. In this project, design and synthesize the non-fullerene acceptor materials with the weaker acceptor and the stronger acceptor units, and the donor materials with the same weaker acceptor unit for the application in the solution processed OSCs. Through the optimization of the OSCs, it is hopeful to get the photovoltaic materials with higher power conversion efficiency.

太阳能被认为是21世纪最重要的新能源。可溶液加工有机分子太阳能电池，它同时综合了聚合物太阳能电池可制备柔性器件、成本低廉和有机小分子太阳能电池材料结构明确、可重复性好的优点，受到学术界、工业界的广泛关注。而作为可溶液加工有机太阳能电池光敏活性层的主要组成部分，通过简单的合成路线合成出兼具宽吸收、能级匹配、高迁移率、具有一定结晶性和成膜性好的可溶液加工有机分子给体材料和非富勒烯受体材料是现阶段面对的一个崭新尝试。基于此，本课题研究的内容是探索设计模板化的合成路线，采用联合吸光性能好的染料弱吸电子基团A和强吸电子基团A’的策略合成A’-A-D-A-A’结构非富勒烯有机分子受体材料，和具有D-A结构的有机分子给体材料，得到具有良好光伏性能的分子材料，为进一步研究有机分子材料结构和性能关系提供丰富的材料基础。

十年内，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率从2009年的3.8%快速增长到2020年的25%，成为最有希望商业化的电池。目前应用到此电池中的高效空穴传输材料包括Spiro-OMeTAD和PTAA，这些材料价格昂贵，需要掺杂得到更好的结果，而掺杂剂对电池的稳定性有一定的损害。寻找合适的、低成本的非掺杂有机分子空穴传输材料成为一个挑战。本项目设计合成了一系列基于不同中心单元，对位取代甲硫基的二苯胺作为末端的线型有机分子空穴传输材料，中心单元中点由碳原子（芴基），变为氮原子（咔唑），再到氧原子（二苯并呋喃），硫原子（二苯并噻吩），制备基于这一系列线型有机分子空穴传输材料的MAPbI3的正置和倒置钙钛矿太阳能电池，在非掺杂状态下，器件效率可以从15%增长到21%，是现在此类电池的世界最高效率之一。实现了降低空穴传输材料合成成本，同时兼顾效率的目标。并通过一系列深入表征工作，证实空穴传输材料结构中的硫原子，可以与钙钛矿晶体中游离的铅离子发生作用，从而产生钝化效果，提高器件性能。