基于分子层模板法制备有序体相异质结有机太阳能电池

Organic photovoltaics (OPVs) is one of the promising candidates as an new renewable energy source because of the low cost, flexibility and light weight. Progress has been dramatic, and the power conversion efficiency (PCE) of current state-of-the-art cells based on donor/acceptor bulk heterojunctions (BHJ) has reached 10.6 %. But in conventional BHJ OPVs, the donor/acceptor phase separation intersperses randomly, resulting in the formation of the isolated donor or acceptor domains and locally trapped charges. Furthermore, the disordered pathways for charge transport to the electrodes make the charges recombine easily, and accordingly reduce the photocurrent. The ordered bulk heterojunction (OBHJ) with periodic and vertically aligned donor/acceptor phase separation can provide a direct pathway for charge transport and reduce the charge recombination as well as eliminating the locally trapped charges. While it maintains the advantages of conventional BHJ, such as large interfacial area, efficient light absorption and exciton dissociation. Thus OBHJ can obviously improve the charge transport and collection after the exciton disociation, and accordingly improve the OPV performance. It is very of importance to develop new methods to fabricate the OBHJ. Here we aim at developing the method of molecular templating to fabricate OBHJ with controllable molecular orientation, and improve the OPV performance through controlling the OBHJ formation, elucidating the mechanism as well as optimizing the OPV structures.

有机太阳能电池具有成本低、重量轻、柔性、制作工艺简单等诸多优点，表现出巨大应用前景，成为全球新能源研究中的重点领域。有机太阳能电池从平面型异质结发展到体相异质结，其转换效率已从最初1.0 % 提高至现在的 10.6 %。但传统体相异质结中随意分布的无序电子给体-电子受体相分离容易形成孤立小岛区，使得载流子传输通道非连续。孤立小岛界面处激子分离所产生的载流子不能全部传输出去形成有效载流子，并容易和相反载流子复合，影响电池性能。最近发展的有序体相异质结不仅能保持传统体相异质结优点，而且能通过有序体相异质结中连续通道改善载流子的传输和收集效率，可以进一步提高电池性能。因此，发展新的方法制备有序体相异质结就具有非常重要的意义。本申请项目拟采用分子层模板法来制备具有可控分子取向的有序体相异质结，通过揭示分子模板层诱导形成有序结构的过程和机理，优化有序体相异质结有机太阳能电池结构，提高电池转换效率。

有机太阳能电池具有成本低、重量轻、柔性、制作工艺简单等诸多优点，表现出重要应用前景，特别是最近两三年发展的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池将效率突破20%，成为全球新能源研究中的重点领域。有机太阳能电池从平面型异质结发展到体相异质结，光电转换效率也相应得到巨大提高。但传统体相异质结中随意分布的无序电子给体-电子受体相分离容易形成孤立小岛区，使得载流子传输通道非连续。孤立小岛界面处激子分离所产生的载流子不能全部传输出去形成有效载流子，并容易和相反载流子复合，影响电池性能。有序体相异质结在保持传统体相异质结优点的同时，通过连续通道改善载流子的传输和收集效率，可以进一步提高电池性能。. 在本项目资助下，申请人及团队围绕有序体相异质结的制备及形貌调控进行了深入研究，结合分子层模板法和斜角入射沉积技术，制备出具有分子取向的体相异质结，并揭示了薄膜的形成过程和机理进行，进而改善了有机太阳能电池的光电转换效率。同时，寻找新型界面材料，调控体相异质结太阳能电池的光电转换效率和稳定性。发展了新型TiO2纳米晶的合成方法及新工艺，应用于低温制备的有机太阳能电池，以P3HT：PCBM体相异质结太阳能电池为例，基于常规结构和倒置结构，获得了4.0%~4.5%的光电转换效率，并显著提高了电池的稳定性。此外，基于最新发展的钙钛矿太阳能电池，通过发展器件新型制备技术和薄膜形态调控技术，采用低温溶液法制备出高性能平面异质结钙钛矿太阳能电池，光电转换效率超过13 %，并深入揭示高效率及无测试回滞线的机制。通过该项目的研究，揭示了有机及钙钛矿太阳能电池高质量活性层薄膜的形成机制，为发展大面积、高效率柔性有机及钙钛矿太阳能电池提供了重要参考，将进一步促进有机及钙钛矿太阳能电池领域的发展，加快推进新型柔性薄膜太阳能电池的产业化进程。. 在本项目的资助下，在国际权威和重要期刊共发表SCI论文20余篇，包括Chemical Reviews，Journal of Physical Chemistry C, Organic Electronics, Nanotechnology 等；申请专利10项，已授权3项；培养了硕士研究生3名，博士研究生1名；圆满地完成了项目申请书中的预期研究成果。