固体核磁共振技术研究P3HT：PCBM太阳能电池材料的结构及工作机理

Photovoltaic blends based on poly-3-hexyl-thiophene and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (P3HT:PCBM) are among the most studied materials systems for organic photovoltaic solar cells(OPVs) applications, which has great potential for commercial use to date. To investigate the impact of structure on photovoltaic performance, a series P3HT:PCBM systems which have different photovoltaic properties are going to be studied by using advanced solid-state nuclear magnetic resonance techniques(SSNMR).Based on the demonstration of phase content, molecular miscibility，local dynamics as well as interfacial structure, the relationship between microstructure and photovoltaic performance is tended to be revealed which will provide details for the model construction of ideal P3HT:PCBM photovoltaic system. Meanwhile, according to the structural information, we will try to explain why and how dose the exciton dissociate in the interfacial area. This project will fully explore the advantage of SSNMR techniques in structural study of P3HT:PCBM materials, which is accurate and reliable for quantitative and qualitative structural analysis on multi-phase materials. Besides that, the findings from this study is going to be solid support for the optimization of P3HT:PCBM solar cell as well as the development of novel OPVs systems.

具有商用潜力的P3HT:PCBM太阳能电池材料是目前光伏材料研发领域的热点之一。本项目针对该材料的微观结构与光伏性能的关系展开研究，以一系列性能各异的P3HT:PCBM光伏材料体系为研究对象，采用固体高分辨核磁共振技术研究各种体系的相成分、分子相容性、分子局部运动性以及界面相的分子级结构。分析总结P3HT:PCBM材料体系的微观结构对其光伏性能的影响规律，从而确定理想的P3HT:PCBM电池材料的相结构模型。项目预期从微观结构的角度揭示P3HT:PCBM太阳能电池材料的光伏转化机理，实现使用高分辨固体核磁共振技术直观、准确的表征同种和同类光伏材料的结构，建立一套可靠的定量和定性的结构分析方法。项目的研究成果对于深入理解性能优化的P3HT:PCBM光伏材料的结构特征具有重要意义，可以为同种或同类太阳能电池材料的优化与研发提供科学依据。

导电共轭高分子P3ATs在场效应晶体管、异质结太阳能电池和化学传感器等领域具有潜在的应用价值。研究发现，P3ATs相关器件的光物理性能受到P3ATs分子化学结构及成膜条件的影响。结合P3ATs微观结构的研究，可进一步探索同类导电聚合物的性能与结构的相关性。本工作主要使用多种高分辨固体核磁共振技术围绕P3AT及P3AT:PCBM等多个体系探讨了如下几个核心要素对于P3AT微观结构和链段动力学行为的影响。主要包括：P3HT侧链的等规度、与PCBM的共混过程、热退火处理、薄膜制备的条件以及侧链的长度等因素。通过项目的开展与研究，发现侧链的等规度是影响P3HT主链结晶度的核心要素；热退火过程可以提高P3HT晶区的尺寸、减小界面面积并缩短界面区P3HT与PCBM的分子间距离；制备薄膜的过程中，成膜条件的变化，特别是溶剂的改变直接影响到主链及侧链的堆叠结构；此外，通过对比四种不同侧链长度的P3AT薄膜结构，发现P3HT的结晶度最高，且与PCBM共混后其相组分的变化最小。上述研究结论为调控P3AT及P3AT:PCBM的微观结构提供了相关的核心要素，为制备或研发具有优异光物理性能的共轭聚合物相关器件提供了可供参考的方法和技术。此外，本研究工作总结出了一套研究P3AT聚合物体系微观结构及动力学行为的表征方法，也为其它共轭聚合物微观结构的常规表征及科学性研究提供了可供选择的检测手段。