有机给受体结构分子共晶的制备及其在三元太阳能电池中的应用

Compared with binary organic solar cells (OSCs), ternary OSCs can broaden the absorption range of active layers and improve charge separation and transport, thereby providing a potentially effective route in enhancing the power conversion efficiency of bulk heterojunction OSCs. However, a deep understanding of photophysical processes in these ternary systems remains a grand challenge. In this project, we design and fabricate a new ternary OSC, which contains two donor-acceptor (D-A)-type small molecules as donors and one acceptor. Modifying molecular structure and optimizing the active layer morphology are the two main strategy in the project to improve the efficiency: (1) we design and synthesize a serial of (D-A)-type donor materials by varying the chromophores in molecules, resulting in large spectral coverage, low lying highest occupied molecular orbital (HOMO) energy levels, high charge-carrier mobility and good solubility; (2) Then, two donors with proper photon absorption range and energy level are selected and formed co-crystals. We modulate and control the morphology of active layers to obtain an optimum bicontinuous phase separation in ternary systems. This project provides a platform to investigate the relationship among the molecular structures, active layer morphology, and device performances. It helps to summarize the device physics and enhance the efficiency of OSCs.

相比于传统的二元体系有机薄膜太阳能电池，近几年兴起的新型三元体系电池由于第三组分的引入拓宽了器件的吸收光谱、促进电荷的分离与传递，有望具有更高的光伏效率。三元体系太阳能电池的研究方兴未艾，其中包含的许多科学问题仍有待解决。本项目针对“双给体/单受体”类型的三元体系电池，选择“共轭给受体结构”的有机小分子作为给体材料，从该类分子易于调控的光伏性能以及器件活性层的制备工艺寻求突破口，旨在进一步提高三元体系太阳能电池的效率。具体的，本项目通过对共轭给受体有机分子上的官能基团进行设计和调控，合成一系列具有宽吸收、高载流子迁移率、易于溶液加工的小分子给体材料；进一步优化活性层制备工艺，将两种给体分子组装形成共晶，与受体材料一起最终实现纳米级互穿网络结构的相分离。本项目研究的三元体系光伏器件为探索分子结构/活性层微观形貌/器件性能之间的关系提供了机会，有助于理解三元体系的光电物化过程，提高器件性能。

本项目围绕着合成共轭给受体结构小分子，并将其应用到三元太阳能电池这一主要目标，首先合成了一批具有宽吸收光谱、可溶液加工的共轭给受体结构有机给体分子，该类分子主要以DTS（silolodithiophene）基团或者CPDT（cyclopentadithiophene）基团为强电子给体基团，以PT（pyridylthiadiazole）基团或者BT（benzothiadiazole）基团为强电子受体基团，然后进一步对分子端基进行设计和调控，研究不同分子结构对光电性能和聚集体结构的影响；同时构筑光电器件，对器件结构进行优化，研究界面层对电极和活性层形貌的影响，总结规律从而得到高性能的器件；进一步，将共轭给受体结构的小分子作为第三组分，构筑三元太阳能电池器件，例如将小分子p-DTS(FBTTh2)2添加到混合膜PTB7-Th：IEICO-4F中来制备三元光伏器件，系统研究不同的活性层制备工艺、实验参数对活性层微观结构的影响，实验结果证明，添加p-DTS(FBTTh2)2可以改善活性层结晶度并优化形态，从而使器件的填充因子有效的得到优化，从67.34％增加到73.69％，最佳功率转换效率（PCE）达到12.84％，总结三元体系中，第三组份的引入对相分离尺寸和互穿网络结构的影响因素，为以后进一步优化材料和器件结构，提高器件效率提供依据。