近红外n-型聚合物的设计合成及相应全聚合物太阳电池器件研究

All-polymer solar cells (all-PSCs) are low-cost, flexible-processable, and can be fabricated into large-area flexible devices by printing methods. Besides, they have excellent photo, thermal, and mechanical stabilities. These merits make them promising to be integrated into portable electrical equipment. However, owning to the intrinsic large-scale phase-separated microstructure for p-type/n-type polymer blend and the relatively weak near-infrared (NIR) light utilization, the short-circuit current density (JSC) of all-PSCs is difficult to be further elevated, inhibiting the rapid improvement of device efficiencies. Inspired by these issues, we intend to design new n-type polymers (Pn) with strong NIR absorption in this project, by enhancing the intra-molecular charge transfer (ICT) effect between electron-donating and electron-withdrawing units, or via reinforcing the inter-molecular aggregation by extending the main-chain or side-chain conjugation. Moreover, we aim to achieve the balance between the JSC and the fill factor of all-PSCs through the strategies of optical simulation, introducing anti-reflective layer, and controlling charge recombination. This project will provide new routes to improve the JSC of all-PSCs and develop large-area/flexible devices with higher performance and more applicability.

全聚合物太阳电池成本低廉、制备过程灵活、可采用印刷法制备大面积柔性器件，同时兼具优异的光、热及机械稳定性，对于发展便携式电子设备具有重要意义。然而，由于p-型、n-型聚合物间易形成大尺度相分离，且大多数n-型聚合物对近红外光利用率较低，导致器件短路电流提升困难，成为抑制全聚合物太阳电池光伏效率快速提升的关键问题。本项目以上述问题为出发点拟设计合成新型n-型聚合物，通过引入强电子效应基团来增强共轭主链中供电、吸电单元间的电荷转移作用，并通过延伸侧链共轭来加强聚合物分子间聚集作用，提升n-型聚合物的近红外吸收性能；此外，通过光学模拟、引入抗反射层、控制电荷复合等策略协同解决器件短路电流和填充因子不平衡的问题。本项目的完成不仅为提升全聚合物太阳电池器件短路电流提供新方法，也为发展更加高效、实用的大面积、柔性全聚合物太阳电池提供了新思路。

有机太阳电池成本低廉、制备过程灵活、可采用印刷法制备大面积柔性器件，对于发展便携式电子设备具有重要意义。有机太阳电池的功率转换效率主要由开路电压、短路电流密度和填充因子决定。其中短路电流密度可以通过增强太阳光谱中近红外波段光子的利用率来提升。硒取代理论上是一种可以提升短路电流密度的有效手段，因为硒的较大共价半径可以减少π轨道重叠，增强醌式共振特性，因而可降低所得材料的光学带隙。同时，硒原子最外层电子云更为松散，相比硫原子更易极化，具有较强的分子间Se-Se相互作用，可提升材料在固态下的载流子迁移率。本项目首先完成了新型窄带隙n-型聚合物的设计与制备，通过在传统n-型聚合物的共轭骨架上不对称地引入氯原子来增强聚合物分子间作用力，并调控电学能级，同时利用聚合物分子构象的改变来调控分子在绿色溶剂中的溶解性。完成n-型聚合物化学结构与吸收光谱、电学能级以及聚集特性的内在关联的构建，并发展了真正的绿色溶剂加工工艺，实现了接近100%的近红外波段内量子效率响应。 此外，项目实施了关于硒取代的近红外n-型有机半导体材料的一系列研究工作，并完成了以下三个主要目标：1）通过共轭主链和侧基的调控来增强近红外光利用率，使得单结有机太阳电池的短路电流密度提升至28 mA cm-2以上；2）通过调控加工溶剂实现n-型有机半导体在溶液状态下的预聚集效应和成膜之后的分子堆积行为，使得采用绿色溶剂加工的电池器件获得18%的功率转换效率和78%的填充因子；3）通过向列型p-型小分子液晶来提升有机半导体分子的结晶和有序度，利用向列型液晶分子在三维方向的作用力来改善有机半导体共混体系的三维电荷传输能力，最终在1.01 cm2的大面积器件中获得接近17%的功率转换效率，同时填充因子维持在73.4%，放大损失低至7%。本项目的完成不仅为提升有机太阳电池器件短路电流提供新方法，也为发展更加高效、实用的大面积、柔性有机太阳电池提供了新思路。