多种印刷工艺下纳米复合体系异质结太阳能电池相结构演化

It is the key to achieve the commercial application of organic solar cells via large area printing technique. The project aims to use the knife coating, gravure and slit extrusion techniques to fabricate organic solar cells. By optimizing the corresponding processing parameters, the organic solar cells will be printed on the flexible substrates. The molecular packing, crystallization coherence length, size and distribution of PCBM aggregates, and phase purity will be investigated under different printing techniques, to understand the process and mechanism for phase structure evolution of the active layer. The conjugated small molecules and polymers serving as the third additives will be incorporated into the bulk heterojunction systems. The corresponding viscosity, surface tension and the wetabbility with substrates will be investigated, in order to understand the relationship between the rheology of inks and film formation quality. The effect of crystallization ability of the donor and acceptor components on the microstructure of active layer will be investigated, to understand the mechanism of influence of crystallization ability of components on the microphase structure formation. To package the membranes after printing into organic solar cells, the influence of printing technology on the short-circuit current density, open circuit voltage, fill factor and power conversion efficiency will be analyzed. The relationship between printing techniques, microphase structure of active layer and device properties will be investigated, to guide the fabrication of large-area organic solar cells from the point of theory.

大面积印刷制备有机太阳能电池是实现其商业化应用的关键。本项目拟采用刮涂、凹版印刷和狭缝挤出三种不同的印刷工艺，通过调节相关工艺参数，实现在柔性基底上印刷有机太阳能电池。研究不同工艺条件下活性层薄膜中的分子链堆砌结构、结晶尺寸、PCBM聚集体尺寸大小与分布、相纯度等结构参数，理解不同印刷工艺下活性层薄膜的相结构演变过程与机理。考察共轭小分子和聚合物等第三组分对印刷墨水的粘度、表面张力、与基底的浸润性等的影响，研究印刷薄膜的宏观状态与微观结构，理解墨水的流变学性能与成膜质量之间的内在关联。研究活性层中给受体组分的结晶程度对薄膜微观结构的影响，理解印刷过程中薄膜相结构的形成机理。将印刷好的薄膜组装成太阳能电池，研究印刷工艺对短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率等参数的影响，建立印刷工艺、活性层相结构和器件性能之间的关联，为大面积制备有机薄膜太阳能电池提供理论指导。

大面积印刷制备有机太阳电池是实现其商业化应用的关键。本项目研究大面积柔性透明电极的印刷制备工艺，通过优化PEDOT:PSS墨水性能以及印刷参数，获得了透明度高、导电性好、力学性能优异的基于银网格/PET的透明电极，并可进一步应用于制备有机太阳电池，电池效率达到8.08%。将冲量累积量作为薄膜相分离结构演变的主要原因，通过表征旋涂工艺制备的活性层薄膜的形貌并计算相应的冲量累积量，并大致推测出其它成膜方式如狭缝挤出工艺的印刷参数范围。成功制备了大面积的柔性太阳电池，基于PTB7-Th:PCBM和PBDB-T:ITIC体系的器件效率分别达到7.58%和8.90%。将J71作为第三组分引入PBDB-T:PNDI-2T-TR(5)体系中，制作三元全聚合物有机太阳能电池。通过动态力学分析(DMA)和差示扫描量热(DSC)技术相结合的方式，再依据Fox方程进行分析，研究各组分之间的相容性并计算共混物之间的Flory-Huggins相互作用参数。认为J71可以作为界面增容剂，优化给体与受体之间的相互作用，且J71的引入能优化组分在垂直方向上的分布，电池的最大光电转换效率达到9.12%。进一步研究硫醇作为溶剂添加剂提高有机太阳电池活性层薄膜稳定性的机理。选择了四种主链含有氟原子和不含氟原子的聚合物PTB7, PBDTTT-C, PTB7-Th和PBDTTT-C-T，将1,4-丁二硫醇引入活性层溶液中。研究不同体系的光稳定性，发现含氟体系具有更高的光稳定性，与相纯度提高等因素有关。采用红外光谱研究活性层中组分的相互作用，发现了新的吸收峰，认为共轭聚合物侧链的氟原子和硫醇中的巯基形成了特殊相互作用，可以优化薄膜的形貌和稳定性。相关研究可为制备大面积有机太阳电池提高理论指导，丰富和发展共轭高分子体系的高分子物理等理论。