分子掺杂对有机光伏器件性能调控及其机理研究

Semiconductor electrical properties are the building blocks for organic opto-electronic devices. The power conversion efficiency of organic photovoltaics is strongly influenced by charge transport, charge recombination and interface properties. Charge carriers mobility is one of the most important factors in dictating the performance of organic solar cells. In this proposal, we plan to utilize molecular bulk doping to mediate the charge transport and balance in organic bulk heterojunctions, aiming to understand the effects of dopants on charge recombination processes and mechanistically clarify the relationship of doping and photovoltaic behavior. The goals are toward establishing a general doping methodology to realize enhanced device performance in photovoltaics. Furthermore, we will investigate the effects of molecular doping on the interface electrical properties of organic solar cells. By doping, one can improve charge injection/extraction properties due to the reduced injection barrier height, which helps mitigate the efficiency losses at the contact. Based on different device strictures, we will further implement doping selectively in regimes adjacent to device contacts, by which organic/metal interfaces can be modified accordingly. Based on these studies we expect to elucidate the influences of modified interface on bulk opto-electrical properties. Our results may provide insight for advancing molecular design and relevant device engineering in the future.

半导体的电学性质是有机光电器件最重要的基础之一。有机半导体的载流子传输、电荷复合和界面性质与有机光伏器件的工作效率密切相关。现阶段，制约有机光伏器件效率提升的关键性因素是有机半导体相对较低的载流子迁移率。本申请课题拟将针对有机体异质结，利用分子掺杂调控给体和受体的载流子迁移率和平衡性，探索分子掺杂对电荷传输和电荷复合等重要物理过程的影响，从机理上揭示分子掺杂和有机光伏器件性能参数的关系，发展普适性的分子掺杂方法，改善器件的转换效率。另一方面，研究掺杂对器件界面性质的改变机理和调控能力，利用掺杂改善电荷的收集效率，降低因材料与电极能级不匹配造成的界面势垒及相应的效率损失；同时根据不同的器件结构有选择地在器件的界面附近进行区域性分子掺杂，优化有机/金属界面性质， 从机理上进一步揭示界面性质的改善对有机半导体光电性质的影响。通过分子掺杂的研究将为优化能源转换分子设计和器件性能提供参考。

载流子的输运和复合是影响有机太阳能电池转换效率的关键物理过程，掺杂作为重要的电学调控手段在改善有机半导体的输运性质方面具有突出的应用优势。本项目以分子掺杂作为核心调控手段，针对有机非富勒烯太阳能电池的工作性能改善，系统研究了系列路易酸和路易斯碱分别作为p-性和n-型掺杂剂对有机体异质结的载流子输运特性的影响，同时研究了掺杂对抑制体异质结内双分子复合以及改善载流子在界面提取的能力。此外，项目负责人通过比较研究，探索了掺杂剂的分子构型对掺杂剂-掺杂主体之间电荷转移效率的影响机制，并在此基础上提出了合理选择n-型掺杂剂的的基本原则。基于BCF路易斯酸作为p-型掺杂剂，通过对体掺杂工艺的优化，实现了对一系列非富勒烯太阳能电池载流子迁移率平衡性的调控，提高了载流子的收集效率，降低了双分子和缺陷复合，最终获得器件光电转化效率的提升；基于一系列具有阴离子诱导电荷转移特性的路易斯碱作为n-型掺杂剂，通过界面掺杂，在不使用电子收集层前提下获得了低电压损失高效率的有机光伏器件；此外项目负责人通过在广泛使用的PEDOT:PSS空穴传输层中引入WoX纳米粒子，有效调控了PEDOT:PSS的表面自由能，在此基础上实现了对光活性层分子堆积性质以及器件内载流子提取效率的改善，获得了超过0.8的器件填充因子。上述研究成果拓展了分子掺杂在有机太阳能电池的应用，丰富了对有机太阳能电池物理工作过程的调控手段，加深了对相关器件物理知识的理解水平。在本项目支持下，项目负责人以第一作者和通讯作者身份发表SCI研究论文25篇，包括Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.和Nano Energy等国际学术刊物。