基于路易斯酸掺杂的有机太阳能电池光伏性能研究

As a novel route to tuning the optical and electronic properties in organic semiconductors, molecular doping is becoming an important strategy to enhance the photovoltaic performanc in organic solar cells. However, due to the strict limitation of energy level matching and conjugation disruption between molecular dopants and organic semiconductors, the present reodx doping is not fully compatible with the photovoltaic materials. Considering the lone pair electrons of hetero atoms in state of the art organic photovoltaic materials, we choose Lewis acid as promising dopant to overcome the limitations of redox dopant. For Lewis acid doping, the doping mechanism is frontier orbital hybridization, the doping effect is no more closely dependent on the energy level position. Furthermore, the dopable electrons come from the lone pair electrons of the hetero atoms, rather than the conjugated π electrons; and this avoids the damage of conjugation structure. The Lewis acid doping theoretically overcomes the limitations of redox doping, and opens up the new pathway for device improvement. Doping the organic solar cells with Lewis acid will lead to a brighter application in the future. It will largely fill the gap between organic solar cells and their inorganic counterparts; and make a solid foundation for the final commercialization.

分子掺杂作为一种新型的有机半导体材料光学及电学性能调控手段，正逐步成为实现有机太阳能电池性能突破的重要策略。然而，由于掺杂剂与有机半导体材料间严格的能级匹配要求和掺杂对有机半导体材料共轭结构的破坏，目前以氧化还原反应为基础的掺杂策略难以在有机光伏器件中获得普遍应用。基于高性能有机光伏材料杂原子上普遍存在孤对电子的现象，本项目拟采用路易斯酸作为新型掺杂剂。路易斯酸与有机半导体间通过轨道杂化机制实现掺杂，不再需要严格的能级匹配；同时路易斯酸掺杂中的转移电子来源于有机半导体材料杂原子上的孤对电子，而不再是其共轭结构中的π电子，避免了对共轭结构的破坏。路易斯酸作为新型掺杂剂，从根本上突破了氧化还原掺杂机理的局限性；打开了分子掺杂提高有机光伏器件性能的通道，为制备高性能有机太阳能电池提供了全新的思路。高效掺杂的实现，将极大弥补有机太阳能电池与无机器件间的性能差距；为其最终商业化奠定坚实基础。

有机太阳能电池的高效发电涉及激子和载流子的多种光电过程，利用分子掺杂对有机光伏材料电子结构的调控能力，直接优化光伏过程是近年来新兴的重要研究方向。本项目从掺杂机理的源头出发，提出利用路易斯酸碱反应来对有机光伏材料进行普适p型掺杂；通过对掺杂薄膜共混形貌和器件物理的研究，建立掺杂型有机光伏器件的构-效关系；最终指导高效掺杂有机太阳能器件的制备和应用扩展。在项目研究过程中，执行人发现水合路易斯酸掺杂剂会以质子转移或类氢键作用进行掺杂，更新了路易斯酸掺杂化学机制；建立了基于高分子物理相图计算和同步辐射表征的溶液-薄膜掺杂剂相分布分析流程，解决了痕量掺杂剂在化学元素组成相似的共混薄膜中相分布预测和表征难题；发现了异质结掺杂效应的态密度熵调控机制，提出了一种新的有机光伏异质结优化策略；最终在成功实现器件性能提升的基础上，扩展了分子掺杂在半透明、可调色有机光伏领域的特殊应用场景。该项目针对高效有机太阳能电池，发展了一种独立于分子结构设计和微观形貌调控的新兴电子结构调控手段。未来高效掺杂的实现，将极大弥补有机太阳能电池与无机器件间的性能差距，为该类器件的商业化应用奠定坚实基础。