有机体异质结/钙钛矿复合结构光伏器件中噻二唑苯并三氮唑类近红外吸收聚合物的设计合成与性能研究

Bulk-heterojunction/perovskite integrated solar cells, with a simple device architecture, can effectively broaden the photoresponse range without sacrifice of the Voc. However, nowadays the near infrared absorption wavelength of the heterojunction is very short and the EQE is low. In the preliminary work, we synthesized a near infrared absorption polymer with [1,2,5]thiadiazolo[3,4,f]benzotriazole (STN) as acceptor unit. This polymer can enormously increase the absorption wavelength of the integrated solar cells to 1200 nm, with an effective photo-generated current. However, the relationship of device architectures and the energy level properties is unknown, and the PCE also need to be improved. To make clear the questions, this project plans to design and synthesize a series of STN polymers with various electrical properties, alky chain kinds and numbers, and conjugated bands of donor units, optimize the preparation process of heterojunction and integrated solar cells, such as the D/A ratio, film morphology, thickness and interfacial layer. We anticipate to study the relationship between the chemical structures of near infrared absorption polymers, film morphology, and photovoltaic properties, clarify the mechanism of the exciton separation and carrier transfer in heterojunction and perovskite, and finally fabricate highly efficient bulk-heterojunction/perovskite integrated solar cells with extend photoresponse in near infrared range. This project will be helpful to design and synthesis of near infrared absorption polymers for bulk-heterojunction/perovskite integrated solar cells.

有机体异质结/钙钛矿复合结构光伏器件结构简单，在不牺牲器件开路电压的同时能够拓宽钙钛矿近红外区光响应范围，但目前该类器件中的有机体异质结近红外吸收仍然有限，近红外区外量子效率也较低。我们前期工作发现，噻二唑苯并三氮唑（STN）类聚合物能大幅提高复合器件光响应范围到1200 nm，但复合器件结构与材料基本能级性质关系不清，器件效率也有待进一步提高。针对这些问题，本项目拟设计合成不同电学性质、烷基链种类和数量、共轭连接方式给电子单元STN聚合物，调控聚合物能级、迁移率和薄膜形貌，优化体异质结和器件制备工艺（给受体比例、薄膜形貌、厚度和界面层），探索近红外吸收聚合物材料化学结构与薄膜形貌、光伏性能之间的规律，阐明复合器件中体异质结与钙钛矿之间的激子分离和载流子传输机制，为设计合成高效的近红外吸光材料提供实验基础和理论指导，并最终得到宽光谱响应的高效复合器件。

受限于铅基钙钛矿材料的带隙，目前高效的钙钛矿太阳能电池对近红外区的太阳能利用极其有限。有机体异质结/钙钛矿复合结构太阳能电池器件结构简单，在不牺牲器件开路电压的同时能够拓宽钙钛矿光响应范围，但目前该类器件中的有机体异质结近红外吸收仍然有限，近红外区外量子效率也较低。本项目从材料设计合成出发，通过设计合成新的近红外吸收聚合物给体材料和非富勒烯受体材料，系统研究了材料化学结构、薄膜性质以及器件制备工艺与复合结构器件性能之间的内在关联。首先我们合成了一系列基于噻二唑苯并三氮唑的近红外吸收共轭聚合物，研究了不同给电子单元对聚合物材料吸收和带隙的影响，得到了吸收边带达到1200nm的近红外吸收材料；我们还设计合成了一系列基于砜基末端吸电子单元的非富勒烯受体材料，研究了砜基以及末端吸电子单元上引入卤素对材料性能以及器件光伏性能的调控规律，发现砜基的引入能降低非富勒烯受体材料的LUMO能级和带隙，有机太阳能电池路电流和填充因子更高，得到了能量转换效率达到12.79%的有机太阳能电池；同时砜基的引入还能提高这类材料对钙钛矿的钝化作用，器件最高效率达到20.01%；我们还系统研究了有机体异质结/钙钛矿复合结构光伏器件中有机体异质结给、受体材料种类、能级和载流子传输特性等性质对器件参数的影响规律，通过引入PCBM制备三元结构有机体异质结大幅提高了复合器件的效率，最高效率达到21.1%；我们发现将逐层制备工艺（LbL）引入到有机体异质结的制备中能够调控薄膜形貌，拓宽复合器件的光响应范围，提高短路电流，得到了短路电流高达28.06 mA/cm-2的复合器件；最后基于本项目我们还设计合成了一些新型有机界面修饰材料，得到了能在钙钛矿表面自组装形成纳米结构的有机电子传输层，器件短路电流大幅提高。发表SCI论文10篇，申请发明专利1项，培养硕士研究生5名，博士研究生1名。本项目的顺利实施对于突破铅碘钙钛矿的光电转化效率极限有着重要的意义，有助于促进钙钛矿太阳能电池的商业化应用。