有机太阳能电池给体和受体界面分子水平纳米结构控制的研究

Donor/acceptor interface in organic solar cells, the region for exciton dissociation into free charge, is critically important because it is directly related to the performance of organic solar cells. The studies on the design and synthesis of organic materials to modify the donor/acceptor interface at the level of molecule are still very limited. Previous studied by the applicant show that conjugated polymers with fluoroalkyl sidechains could spontaneously segregate on the surface and form dense monolayers (Chem. Mater., 2011, 23(18), 4257-4263). It is expected that these monolayers can modificate the film surface at the molecular level and control the nanostructure at the donor/acceptor interface. This project will focus on modifying the donor/acceptor interface with fluoroalkyl conjugated polymers to improve the efficiency of charge separation in organic solar cell. The outline of this project includes: synthesis of fluoroalkyl conjugated polymers with different sidechains and functional groups; study the surface structure of surface segregation monolayers and the ionization energy; study the effect of these segregated layers at the donor/acceptor interface on the performance of inverted bilayer solar cells and bulk heterojunction organic solar cells. It is expected to give a clear relationship between the nanostructure at the donor/acceptor interface and performance of organic solar cells. It is expected to find an optimized energy levels at the interface to increase both the open cuicuit voltage and short circuit current. The results of this study could have enormus impacts on the applications of organic solar cells.

有机太阳能电池给体和受体界面是激子解离成自由电荷的区域，是提高有机太阳能电池性能的重要研究方向之一。设计和合成可用于分子水平修饰给体和受体界面的材料兼具科学的挑战和实际应用的需求。氟烷基共轭聚合物在薄膜表面自发地形成致密单分子层是刚刚发展的一类有望修饰给体和受体界面，控制分子水平纳米结构的新方法。本项目拟发展可用于修饰给体和受体界面的氟烷基共轭聚合物的合成，获得可用于提高界面电荷分离效率的材料，有望为有机太阳能电池的研究开辟新的途径。具体内容包括：具有不同侧链结构和官能团的氟烷基共轭聚合物的合成；分子水平表面偏析单分子层的形成及其纳米结构和电离能性质的研究；基于氟烷基共轭聚合物单分子层的给体和受体界面对反式双层电池性能的影响及在本体异质结太阳能电池中的应用。本项目的开展可望明确给体和受体界面结构对电池性能的影响，优化界面能级结构，同时提高电池的开路电压和短路电流，对太阳能技术产生巨大影响。

在有机太阳能电池中，给体和受体的界面是自由电荷形成的重要区域，合适的界面对提高有机太阳能电池的光电转化效率非常关键。本项目设计、合成了可用于修饰给体和受体界面的材料，从分子水平研究了界面的化学组分和结构对电池性能的影响，无论是从理论研究角度还是实际应用的需求上看都具有重要的意义。氟烷基共轭聚合物在给体薄膜表面能够自发地形成致密单分子层，修饰给体和受体界面的化学结构，分子水平上控制界面的纳米结构。通过三年的初步研究，本项目合成得到用于修饰给体和受体界面的氟烷基共轭聚合物，并将其用于修饰界面，提高了界面电荷分离效率。具有不同侧链结构和官能团的氟烷基共轭聚合物对电池短路电流和开路电压的影响不同，这是由于界面偏析单分子层的形成影响了电荷分离区域的纳米结构和电离能性能。本项目的研究表明给体和受体界面结构对电池性能的影响，通过分子设计优化界面能级结构，提高电池的开路电压或短路电流，有望为有机太阳能电池的研究开辟新的途径。