可用于有机太阳能电池的阴极界面修饰和受体材料的富勒烯衍生物的设计合成及机理研究

Alcohol-soluble fullerene derivatives with different functional groups will be designed and synthesized for the applications as cathode buffer layer and acceptor materials in fabricating the inverted structured organic solar cells (OSCs) by “one-step” method with environmental-friendly non-halogenated solvent. Suitable conjugated polymer donor materials, which is solubale in environmental-friendly non-halogenated solvent, will be selected for matching with the fullerene derivative acceptors. The working mechanisms of the fullerene derivatives as acceptor and cathode buffer layer in the OSCs will be studied via atomic force microscopy (AFM), scanning kelvin probe (SKP), photoelectron spectroscopy (AC2), contact angle and surface energy measurement, space charge limited current measurements (SCLC), organic field effect transistor (OFET), X-ray photoelectron spectroscopy (UPS), femtosecond transient absorption (TA) spectroscopy measurements and so on. The green, environmentally friendly organic solar cells can be achieved. This project is in accord with the new direction of energy development and environmental protection in the international society.

设计并合成可溶于绿色环保溶剂的不同官能团取代的富勒烯衍生物，此类材料可以同时用作界面修饰材料和受体，与合适溶解度的给体材料配伍，“一步法”制备反向有机光伏器件，从而得到实现绿色、环境友好溶剂的光伏器件。通过原子力显微镜、开尔文探针、光电子能谱、接触角和表面能实验、空间电荷限制电流法、有机场效应晶体管、X-射线光电子能谱、飞秒瞬时吸收光谱等方法研究这类富勒烯衍生物作为界面修饰层和受体的作用机理。该能源体系符合国际社会环境保护发展要求的新方向。

有机太阳能电池由于其制作成本低廉、质轻、制备工艺简单、结构和功能易于调控、易于溶液加工和大面积成膜、可制备柔性器件等优势被广泛关注。本项目着力于设计并合成一系列可以直接溶于环境友好溶剂，富勒烯有机太阳能电池的阴极界面修饰和受体材料。主要研究内容包括：.1. 设计合成一类带有胺基的富勒烯衍生物材料PCBDAN，研究材料的电子迁移率和能级分布，将其同时用作有机太阳能电池活性层阴极界面修饰和受体一体材料，制备反向光伏器件。证实PCBDAN作为阴极界面修饰和受体一体材料的构想，其中对于光活性层共混形貌的优化是提升器件效率的关键因素。.2. 设计合成一类基于笼型聚倍半硅氧烷POSS连接核的三维有机/无机杂化材料，并设计了非晶态聚合物PStN和共轭聚合物材料PFN作为对比制备并优化有机太阳能光伏器件，并对材料的工作机理进行了探寻，包括表面形貌的观测，接触角、润湿性能和表面张力的测量和计算，以及载流子迁移率和膜表面功函数的测定等，对三维杂化结构阴极界面修饰材料的工作机理进行了深入研究。.3. 设计合成一类线性非共轭骨架的有机阴极界面修饰材料，它们包含聚苯乙烯非共轭骨架和高度极化极性的氨基或季铵盐侧链，研究对比这类醇溶性非共轭聚合物PSN，PSO和PSM在有机太阳能电池中的光伏性能，和阴极界面修饰层的侧链与活性层受体之间的相互作用。通过开尔文探针、电子自旋共振光谱和光致发光光谱研究三种阴极界面修饰材料的工作机理。研究发现阴极界面修饰材料中的侧链基团可与活性层受体之间形成分子间的n-型掺杂效应，这一研究能够为高效阴极界面修饰材料的开发提供新的研究思路。.4.设计合成了非富勒烯有机太阳能电池的阴极界面修饰和受体一体化材料。采用Gaussian软件，运用密度泛函方法对设计得到的分子结构、能级分布、偶极子成分等内容进行计算。采用空间电荷限制电流法对材料的电子迁移率进行了测量和计算，充分证明其作为光活性层阴极界面修饰材料和受体材料的巨大潜能，为下一步器件的制备工作提供了前期研究基础。