新型含二茚并咔唑的宽带隙聚合物及其在叠层太阳能电池中的应用

With a tandem device structure, the light harvesting ability of organic solar cells can be improved together with enlarged open circuit voltages, which is believed to be one of the most effective strategies to further increase the efficiencies of organic solar cells. In tandem polymer solar cells, two or more spectrally matched p-type polymers are needed. So far, there have been a large number of low bandgap (long wavelength absorbing) copolymers. However, the number of large bandgap (short wavelength absorbing) copolymers is relatively limited. Therefore there is a great need to design and prepare large bandgap copolymers in order to increase the efficiency of organic solar cells. In the proposal, the diindenocarbazole building block will copolymerized with various electron acceptor units, to tune the HOMO energy level and the bandgap of the target copolymers, which can be used to fabricated organic solar cells with high open circuit voltages. Novel tandem polymer solar cells will be fabricated by using the target copolymers and some benchmark low bandgap copolymers. The target copolymers will have relatively deep-lying HOMO level with absorption in short wavelength region, which may help to realize high open circuit voltages and a better spectral matched of the resulting tandem solar cells. We will investigate the relationships between the structure of materials and its physical, chemical and photoelectric properties as well as the parameters of the tandem solar cells devices. Thus this proposal will provide novel design strategies for large bandgap copolymers and new fabrication techniques for high performance tandem polymer solar cells.

利用叠层器件结构可提高有机太阳能电池的光捕获能力和器件的开路电压，是进一步提高有机太阳能电池效率的有效方法。叠层器件需要2个或2个以上吸收光谱互补的材料。相比目前众多的窄带隙（长波段吸收）材料，宽带隙（短波段吸收）的高性能材料还相对缺乏，因此开发新型宽带隙聚合物对于进一步提高有机太阳能电池的性能具有重要意义。本项目提出设计合成含二茚并咔唑的新型聚合物材料，通过选用不同的共聚单元和分子侧链来调控材料的HOMO能级和带隙，目标是合成一系列可提供高开路电压的宽带隙聚合物，并与性能优良的窄带隙聚合物组装叠层太阳能电池。本体系的材料具有较深的HOMO能级和吸收带集中在短波段的优点，能有效提高叠层电池的开路电压并更好地实现与窄带隙聚合物的吸收互补，从而提高电池的效率。深入研究目标材料结构与其理化性质、光电特性及叠层器件性能的关系，为寻找用于高效率叠层太阳能电池的宽带隙材料提供新的设计方法和制备工艺。

采用2个或2个以上吸收光谱互补的材料构筑具有叠层结构的有机太阳能电池器件可提高有机太阳能电池的光捕获能力和器件的开路电压，是进一步提高有机太阳能电池效率的有效方法。本项目主要针对新型宽带隙聚合物光伏材料的开发及其在有机叠层太阳能电池中的应用开展了系统的研究。主要研究内容及所取得的重要结果有：1）合成了一系列基于二茚并咔唑的具有不同侧链的宽带隙聚合物材料，研究了侧链基团对聚合物材料性能的影响。该类材料在有机太阳能电池器件中均表现出高的开路电压（> 0.95 V），最高可获得7.34%的能量转换效率。2）研究构筑聚合物时采用的桥联单元对目标材料光伏性能的影响，合成了两个基于引达省并二噻吩的宽带隙共聚物材料，结果表明采用噻吩并噻吩为桥联单元时材料性能优于以噻吩为桥联的材料，在单节器件中最高获得8.15%的效率。3）通过对有机叠层太阳能电池器件制备工艺的优化，开发出了一条全程无需热处理的制备叠层有机太阳能电池器件的工艺路线，获得了效率为10.79%的叠层器件。4）基于本项目所获得的宽带隙光伏材料所制备的有机叠层太阳能电池器件获得了11.15%的能量转换效率。.本项目通过研究构筑聚合物时所用分子上的侧链以及所采用的桥联单元对目标材料光伏性能的影响，分别在单节和叠层电池器件中都获得了很高的能量转换效率，为设计合成高效率聚合物光伏材料提供指导和借鉴。同时，本项目还针对叠层器件的制备工艺进行了深入的探索，实现了高效率的叠层器件并积累了宝贵的器件制备经验，可为今后该技术的商业化及产业化提供理论依据及技术支持。本项目现已顺利完成，共发表SCI收录论文7篇（已标注），培养博士研究生5名。