高效聚合物-小分子-富勒烯三元有机太阳能电池的制备与性能研究

Ternary organic solar cell is emerging as a new hot topic, yet that of a polymer-small molecule-fullerene configuration with high power conversion efficiency displayed is seldom reported. The application contrives to fabricate such ternary solar cell with low bandgap polymers as the main component, combining fullerene acceptors and medium bandgap or low bandgap small molecules as the third component. The research will focus on the matching issue between polymer and small molecule in a ternary system. To achieve high power conversion efficiency, delicate control on active layer's film formation and detailed interfacial modification at the cathode side in a ternary system is to be conducted, with the working mechanism of the third component, namely the small molecules, being explored meantime. Once it proceeds, the rules of selecting polymers and small molecules for ternary solar cell application will be elucidated and a breakthrough on power conversion efficiency of polymer-small-molecule-fullerene ternary solar cell will be made.

三元有机太阳能电池正逐渐成为一个新的研究热点，但目前高效的聚合物-小分子-富勒烯三元有机太阳能电池却鲜见报道。本申请拟以窄带隙聚合物为为主组分，以中带隙或窄带隙小分子为第三组分，与富勒烯受体构筑聚合物-小分子-富勒烯三元有机太阳能电池并对聚合物-小分子的匹配性展开研究。拟通过控制三元体系活性层的成膜过程及实施阴极界面修饰获取高光电转换效率，并探索小分子第三组分在聚合物-小分子-富勒烯三元体系中的作用机制。若该项目研究取得预期进展，将会阐明三元有机太阳能电池中聚合物-小分子的选取规律，并实现聚合物-小分子-富勒烯三元有机太阳能电池效率的突破。

作为有机光伏研究的一个重要方向，目前三元有机光伏体系的研究较少，尚处于探索阶段。要获得超过目前二元有机太阳能电池的效率，以成熟的器件制备技术满足未来大规模应用对器件效率、加工性的需求，还需要更多创新性的研究和大量细致的完善工作。为研究解决高效三元体系聚合物-小分子间的协同选择匹配规律问题，我们通过设计开发新型非富勒烯受体材料，探索界面修饰层加工工艺及优化三元器件制备工艺对该问题进行了系统研究。针对目前小分子受体材料开发不足的现状，我们设计合成了多个结构新颖的非富勒烯受体材料，通过器件优化获得了光电转换性能超过10%的二元体系。针对低成本高性能修饰层工艺及稳定性研究不足的情况，我们开发了一种低温及绿色溶剂加工的氧化锌修饰层加工方法，获得了与传统溶胶凝胶法相当的性能，并通过对比研究，探讨了界面层形貌控制及对器件稳定性的影响。此外，我们通过采用一种液-固双添加剂策略，研究制备了一种基于聚合物给体-小分子受体-小分子添加剂的三元太阳能电池器件，实现了相对二元器件性能提升接近10%。