聚合物双性离子主链和侧链中偶极的调控及其在有机光伏中的应用

The development of designer interlayer materials for integration into devices has emerged as an effective strategy to enhance organic solar cell efficiency. Polymer zwitterions are promising cathode interlayer materials with excellent solution-processing property. The power of polymer zwitterions on decreasing metal work function arises from the generation of interfacial dipole induced at metal surface by zwitterions, which enables the use of high work function and air stable metals as cathode in organic solar cells. To address the critical issues involved in polymer zwitterions, such as the tuning of interfacial dipole orientation from molecular design, overcoming the limitations of conjugated backbones on interfacial modifications and the understanding of permanent interfacial dipole on device operation, we will design and synthesize novel electronically active polymer zwitterions through polymer side chain and backbone engineering, respectively. We will characterize the influence of dipole species, strength and orientation on interfacial modification and their impact on device physics. This systematic research on structure-property relationship of interlayer materials will further promote the development of electronically active polymer zwitterions in interface engineering.

新型界面修饰材料的设计合成以及器件界面工艺的优化已经成为提高有机太阳能电池光电转换效率和稳定性的重要手段。作为新兴的阴极界面材料，聚合物双性离子具有优异的溶液加工性能，双性离子在金属表面诱导产生的界面偶极可以高效降低金属电极的功函，有利于高功函且空气稳定的金属用作有机太阳能电池的阴极。但是，仍然有若干关键科学问题尚未回答：如何在分子层次上实现界面偶极取向的调控；如何破除共轭主链对双性离子界面修饰性能的制约；如何理解永久偶极对器件界面物理化学过程的影响。本项目正是为了应对以上难题，从聚合物主链和侧链分别切入，充分利用双性离子偶极的正负电荷中心独立且分开的结构特点，设计新型的电活性双性离子类聚合物，深入研究界面偶极的种类、强度和取向等对界面修饰性能的影响，并通过界面物理化学的表征手段研究这些材料在光伏器件中的功能及应用，揭示材料结构与性能的关系，进一步推动这类材料在界面工程中的应用。

新型界面修饰材料的设计合成以及器件界面工艺的优化已经成为提高有机太阳能电池光电转换效率和稳定性的重要手段。作为新兴的阴极界面材料，聚合物双性离子具有优异的溶液加工性能，双性离子在金属表面诱导产生的界面偶极可以高效降低金属电极的功函，有利于高功函且空气稳定的金属用作有机太阳能电池的阴极。但是，分子偶极和共轭主链如何影响材料的界面掺杂效应以及界面修饰性能尚不清楚。本项目针对以上关键科学问题开展了如下创新性工作：（1）发展了若干界面分子材料的设计策略，设计合成了一系列新型的有机光伏界面材料；（2）研究了界面分子材料的掺杂效应与光伏器件性能之间的构效关系；（3）研究了界面分子材料的形貌结构对光伏器件性能的影响；（4）研究了分子材料的界面钝化效应对光伏器件性能的影响。. 项目执行期间，发表了16 篇第一作者/通讯作者期刊论文，包括Accounts. Chem. Res.1 篇、Prog. Polym. Sci. 1 篇、Angew. Chem. Int. Ed. 2 篇、ACS Energy Lett. 2 篇、Chem. Mater. 1篇，J. Mater. Chem. A 1篇等。申请并授权中国发明专利1项。培养三名博士毕业生和四名硕士毕业生。.我们发展了一系列具有不同结构特点的聚合物双性离子界面材料，揭示了界面材料分子结构和光伏器件性能之间的构效关系，建立了通过双性离子界面材料优化光伏器件界面掺杂、界面形貌和界面钝化的工艺和方法，构筑了效率超过18%的有机太阳能电池器件，相关界面分子材料在有机太阳能电池领域显示出重要的应用价值，有利于推动有机光伏产业化。.圆满完成了项目的研究计划，实现了项目的预期目标。