聚合物受体材料：合成、薄膜形貌及其器件研究

The future research attention of OPVs will be intensively drawn on all polymer solar cells (PSCs) due to their long term thermal stability, mechanical stability and their huge potential of being solution processed into large area devices. The challenges of fabricating high performance all PSCs lie in the difficulties of low crystallinity of polymer chains and large phase separation due to the usually poor morphology of donor and acceptor polymer blends. This proposal is intended to design and synthesis of novel polymer acceptors for all PSCs using PDI as the building units. Concretely, this research will firstly select rational monomers to polymerize with modified PDI blocks to achieve a series of polymer acceptors with large absorption, high charge mobility and tunable bandgaps. Secondly, through systemic sidechain engineering, the crystallinity, aggregation orientation of crystallinities, and film morphology thus charge carrier mobility of the resulted polymers will be finely manipulated. Thirdly, by matching with optional donors, the performance of newly developed polymer acceptors will be assessed by fabricating all polymer devices. An insightful study on device physics, including charge transfer states, charge separation dynamics will be carried out to achieve energy loss mechanism in all polymer solar cells, which will provide guidance on synthesis of superior polymer acceptors for high performance all PSCs.

全聚合物太阳能电池拥有优异的热稳定性和机械稳定性，易于溶液法制备大面积器件等优势，是OPV研究的方向。但是因为全聚合物共混体系薄膜形貌调控难度大，聚合物分子链结晶度低，导致目前的器件效率不高。本项目拟开展新型聚合物受体材料的合成以及器件表征，研究材料结构、薄膜形貌以及器件特性之间的关联。具体研究内容包括：1）选用PDI作为聚合物受体材料的构建单元，通过PDI的湾位环化，破除其位置异构因素，合成结构规整、平面性好、电荷迁移率高的受体材料体系；2）选择不同的聚合单体，结合主链结构部分稠环化，调控材料的能级与带隙，实现从窄带隙到宽带隙的聚合物受体材料体系；3）系统研究侧链对聚合物结晶性、聚集态取向、薄膜形貌、电荷迁移率的影响，探寻侧链设计的通适原则；4）深入研究器件中电荷转移态的能级、电荷解离动力学、非辐射复合能量损失等物理过程与参数，掌握器件的能量损失机理，为新材料的设计提供更高层次的指导。

项目聚焦于解决聚合物太阳能电池薄膜形貌调控难度大，器件效率不高等难题。项目重点研究新型聚合物以及小分子受体材料的合成以及器件表征，研究材料结构、薄膜形貌以及器件特性之间的关联。具体内容包括：.1）.以PDI作为受体材料的构建单元，通过PDI的湾位环化，合成结构规整、平面性好、电荷迁移率高的受体材料体系；选择不同的聚合单体，结合主链结构部分稠环化，调控材料的能级与带隙，研究聚合物结晶性、聚集态取向、薄膜形貌、电荷迁移率的影响。.2）.构建含有新型稠环核的A--D--A结构的受体小分子。通过噻吩、并噻吩、硒吩等π桥联片段的引入有效拓宽受体材料的吸收范围，平衡含π桥联受体材料的吸收和能级之间的关系，有效降低其HOMO和LUMO能级。通过对分子的S-构型及C-构型的理性设计，系统调控分子的堆积模式，提高光活性层种激子的解离与电子传输，从而提高器件的PCE。基于这类材料的OSC期间的PCE达到13-16%。.3）.开展氘代非富勒烯受体材料的设计与合成，基于重原子效应可以引起分子的电子能级交错，增强分子的自旋轨道耦合作用，降低了CT态对能量损失的影响。通过氘代端基桥连的氢原子，降低端基桥连的氧化反应速度，提高器件的稳定性。基于氘代的受体分子的器件效率超过16%，其Jsc增加了15%。.4）.系统研究三元有机太阳能电池的材料匹配性以及薄膜形貌调控研究，提高三元组分光活性层的吸光效率，降低电池的非辐射能量损失，获得优化的受体能级和良好的薄膜形态，实现了更有效的激子解离和传输，提升器件的PCE。优化的三元体系器件的PCE达到18%以上。.5）.在倒置器件的ZnO电子捕获层上开展系统的界面工程研究，利用原子层沉积技术在ZnO的表面引入超薄的氧化铝界面层，显著改善了ZnO的表面形貌，降低了功函数及其非辐射能量损失。此外，界面修饰后的器件有效地抑制了氧化锌光催化活性，器件的操作稳定性和存储稳定性得到显著提升。.项目按照申请书的计划，全部顺利地完成了项目设定的研究内容与目标。