非富勒烯有机太阳能电池中给/受体协同优化与高性能器件

Power conversion efficiency (PCE) and stability are key issues limiting the commercial applications for organic solar cells (OSCs). Aiming at a high PCE over 15% and long lifetime longer than 3 years in fullerene-free OSCs, we put forward the new strategy to improve the PCE through the synergistic optimization in materials, morphology, interfacial layers and device structures. Non-fullerene acceptors with high mobility will be designed and synthesized first, together with the design of suitable donor materials to pair with. The absorption, energy levels, molecular stacking and charge transport properties of donor/ acceptor materials will be tuned and optimized side by side. The effects of donor/ acceptor molecular structures and their interactions, solvent, additive, and thermal annealing on the bulk heterojunction morphology will be investigated, in order to find out the effective methods for the fabrication of the active layers with nanoscale-phase separation and interpenetrating network structures. Further optimization in interfacial layers and device structures, including conventional and inverted structures, ternary and tandem structures, will be conducted to seek the effective ways of reducing energy loss and charge recombination. High performance devices will be fabricated with the optimized processing and device structure. The stability of the device with high PCE will be studied related with materials, aggregation, and interfaces. The mechanisms of efficiency losing and device failing in fullerene-free organic solar cells will be investigated to look for the effective ways enhancing the device stability, and thus pushing organic solar cells closer to industrial applications.

能量转换效率和稳定性是制约有机太阳能电池产业化的两个关键问题。本项目以制备高效率(>15%)和长寿命(>3年)的非富勒烯有机光伏器件为目标，提出集成材料、形貌、界面和器件等多层次结构一体化优化的研究新方案，以大幅提高太阳能电池效率。设计合成高迁移率非富勒烯受体及其与之匹配的给体材料，协同优化给/受体材料的吸收、能级、分子堆积和传输性能；研究给/受体分子结构和相互作用以及添加剂、热退火等内外因素对薄膜形貌的影响，发展具有稳定纳米尺度相分离互穿网络结构光活性层的调控方法；优化界面和器件结构，包括正反向结构、三元体系和多层连续异质结，制备单结和多结器件，研究抑制能量损失和电荷复合的有效解决途径，掌握高效光伏器件的制备方法；从材料化学结构、聚集态、表界面的稳定性出发，研究非富勒烯电池效率衰减机制和器件失效原理，探索提高器件稳定性的有效途径，推动非富勒烯有机太阳能电池的产业化进程。

本项目以解决限制有机太阳能电池实用化的几个关键瓶颈因素（材料合成成本高、器件的能量转换效率（PCE）低和稳定性差）为目标，开展了从材料、形貌、界面到器件的系统化、全链条式的创新研究，取得以下创新性研究成果：1、针对主流的非富勒烯受体——稠环电子受体合成步骤繁琐的缺点，提出了非稠环电子受体的新概念，即利用分子内非共价键作用使单键相连的分子共轭骨架具有类似梯形稠环的平面性，降低受体分子的结构复杂度和合成难度；另外也通过合成路线和反应条件的改进，减少了稠环电子受体的合成步骤，提高了反应产率；同时提出了采用两个不同的吸电子末端来连接中心稠环单元的分子修饰新思路，由此获得的不对称稠环电子受体，改善了器件的电致发光效率，并促进了电荷传输，使电池效率取得突破。2、发明了通过二种电子受体形成“合金”相来调控活性层形貌的普适新方法，在实现高效电荷产生的同时，抑制了能量损失，进一步采用逐步沉积器件制备技术和开发界面新材料，电池性能获得了全面改善，效率连续创造世界新纪录，PCE超过19%；另外还构筑了性能指标居世界领先水平的半透明和柔性有机太阳能电池，表现出有机光伏技术的独特优势和广阔的应用前景。3、从分子结构、形貌、界面和器件封装等多方面入手，考察了有机太阳能电池的衰减行为，提出了相应解决策略，器件在PCE大于15%的前提下寿命超过了3.5年。4、探究了多组分共混策略的内在机制，首次提出“稀释效应”，即两个相容性好的组分达到分子级的分散与混合，是多元共混有机太阳能电池性能提高的本质原因。本项目为有机太阳能电池的产业化提供了从关键材料、科学理论到器件制备技术的全方位支撑，部分成果已转化，引领了国际上相关方向的研究，产生了大而深远的学术影响。