氟取代三元聚合物给体材料对亚微米厚活性层太阳能电池性能优化研究

Polymer solar cells (PSCs) are very important for utilizing solar energy on a large scale, supplying cheap electric energy, and solving the ecological and environmental problems. However, thick bulk heterojunction (BHJ) active layers (submicron-thick) via large-scale, high throughput, ink-jet printing and roll-to-roll (R2R) manufacturing processing in current PSCs generally result in low power conversion efficiencies (PCEs) and poor thermal stability. For large area printing, toleration of large thickness variations of the active layer would be another major concern toward good quality or yield control in a probable commercialization processing for PSCs. .This project proposes to combine the electron-withdrawing fluorine substituent and strategy of designing new terpolymers into the D/A alternating copolymers with oligothiophene as spacer, through tuning the D/A components in the terpolymer backbone and optimization of alkyl side chain, to discuss the electronic effects and space effects resulting from effects of substitute groups, and to design and synthesize a novel class of excellent fluorinated terpolymer donors with 2A/D system based on thiophene-phenylene unit as spacer, and to study systematically the effect of different fluorine groups on the absorption performance as well as the charge transporting and photovoltaic property of the materials in experiment and theory, especially by density functional theory employing the B3LYP functional, and finally to achieve substantial increase of efficiency and thermal stability of ideal efficient PSCs with submicron-thick active layers. The present research achievements will be rich the theory and skills of commercialization processing for PSCs.

聚合物太阳能电池（PSCs）对大规模利用太阳能、提供廉价电能及解决生态环境问题具有重要意义。喷墨打印、卷对卷等低成本技术可进行大规模生产，但制作过程中活性层厚度的微小变化对电池效率和稳定性影响非常大。开发适合卷对卷等工艺的亚微米量级活性层制作技术，且活性层厚度较大变化时仍保持高效稳定的PSCs材料和器件是太阳能电池商业化应用的关键。.本项目将以低聚噻吩为间隔单元的D/A型聚合物给体材料的特点，与三元聚合物结构和氟取代效应的优点相结合，通过调控D、A单元的种类和连接方式，优化烷基侧链，并考虑取代基的空间效应和电子效应等因素，构建一种以氟取代亚苯基-噻吩为间隔单元的2A/D型三元聚合物给体材料，寻求具有理想电荷传输性能和光吸收性能、高效稳定的亚微米厚活性层太阳能电池。并通过理论计算和实验测试相结合的方法，阐明材料结构对光伏性能的调控规律。本项目的研究将为太阳能电池商业化应用提供重要的技术支持。

为了开发低成本、质轻、易于实现大面积生产以及可柔性制作的有机太阳能电池，人们对适合卷对卷等工艺的亚微米量级活性层电池制作技术进行了大量的研究，但现有的有机太阳能电池活性层厚度需要调控，一般在100nm左右时的薄层效率最优，且活性层厚度的微小变化对电池的效率和稳定性影响非常大，不利于采用低成本技术进行大规模商业化生产应用。. 本项目围绕有机太阳能电池材料与器件工艺开发与应用，将氟取代效应与三元聚合物给体材料结构相结合，通过密度泛函理论分析、新型材料开发与电池性能实验测试的系统研究方法，开展了氟取代三元结构与低聚噻吩类聚合物给体材料对电池性能的调控、无规则与规则聚合物给体材料与电池性能对比研究、新型区域不对称聚合给体材料开发、氟代功能材料对电池性能的调控以及制备工艺调控电池性能等多维度的研究工作；探究了材料结构与电荷传输性能、光吸收性能、分子轨道能级和光伏性能之间的关系；得到具有理想电荷传输性能、良好光吸收性能和高效稳定的亚微米厚活性层有机太阳能电池给体材料和器件，所制备的电池效率受活性层厚度变化不敏感，在活性层厚度为100-300nm范围内具有高效稳定的电池性能，而电池效率变化绝对值仅在0.66%的微小范围以内。同时将得到的氟取代三元聚合物材料的应用拓展到其他太阳能电池，实现了高效稳定的电池性能，在以该类三元聚合物为空穴传输材料，PCBM为电子传输材料的有机无机钙钛矿太阳能电池中实现了超过18%的电池效率。特别是以氟取代三元聚合物为光催化复合材料得到了优于传统无机材料的催化性能，丰富了氟取代三元聚合物材料的应用价值，显示出所设计三元结构聚合物材料的魅力，对更好地在能源转化与存储领域的应用具有重要的价值和现实意义。.