外场诱导液晶小分子取向调控P3HT/PCBM异质结体系的结晶与相分离及其光伏性能

It is the key point to improve the efficiency of charge separation and charge transport and the photovoltaic properties of P3HT/PCBM solar cell by the induction of P3HT molecular chains to form ordered structure and the control of the aggregation behavior of PCBM. The project aims to control the crystallization and phase separation of P3HT/PCBM system by the use of the oriented template of liquid crystalline molecules (LCs). In the P3HT/PCBM system, the discotic and rod-like LCs containing thiophene structure will be added. By the application of the externally electric or magnetic field, the LCs are oriented according to the direction of the external fields, serving as the template to induce the orientation of the P3HT molecular chains, as well as the aggregation behavior of PCBM. The effects of the intensity and direction of electric or magnetic field, the time, and the chemical structure of the LCs on the crystallization of P3HT are investigated in detail, in order to explain the mechanism of the formation of ordered structure for P3HT chains inducing by the liquid crystalline templates. In addition, the distribution and diameter of PCBM aggregates in P3HT will be studied to illustrate the mechanism of the aggregation behavior of PCBM controlled by the oriented LCs. Furthermore, the energy transfer between the components in ternary system will be analyzed, to illustrate the distribution of LCs in P3HT/PCBM. The relationship between the morphology and charge transfer and performance of solar cells will be investigated. The results of the research may provide new ideas on the development of high-performance polymer solar cells.

获得纳米尺度的相分离，并调控P3HT分子链的有序堆砌以及PCBM聚集行为是提高激子分离效率和载流子传输，优化P3HT/PCBM器件性能的关键。针对于此，本项目拟采用取向液晶小分子模板调控P3HT/PCBM体系的结晶与相分离，即在P3HT/PCBM体系中引入含噻吩单元的棒状与盘状液晶小分子，在外电场或磁场作用下，诱导液晶小分子取向，以此为模板进而调控P3HT分子链结构的有序化以及PCBM的聚集行为。系统研究电场与磁场的强度、方向、作用时间、液晶小分子结构等因素对P3HT结晶行为的影响，阐明取向液晶小分子诱导P3HT分子链形成有序结构的机理。同时，研究PCBM聚集体的尺寸与分布，理解液晶小分子模板对PCBM聚集行为的调控机制。研究三元体系组分之间的能量传递关系，揭示液晶小分子的区域分布，并建立聚集态结构与载流子迁移率和太阳能电池器件综合性能之间的联系，为制备高效太阳能电池提供思路。

全球能源需求逐年增加，高效开发利用太阳能是全球的研究热点。有机太阳能电池因其具有重量轻、可柔性折叠等优点而备受关注，然而其光电转换效率偏低和稳定性较差是限制其商业化应用的制约因素。各国学者从合成新型结构的给受体材料、优化器件结构和调控活性层形貌等方面出发，提高有机太阳能电池的器件效率和稳定性。.为了获得纳米尺度的相分离，并调控P3HT分子链的堆砌结构以及PCBM的聚集行为，本项目在活性层中引入液晶小分子，如 4''-正戊基-4-氰基三联苯(5CT)液晶小分子。在成膜过程中，施加外电场，研究不同电场强度下活性层的形貌以及相应器件的性能。结果表明，液晶小分子与 P3HT 不相容，能作为成核剂诱导 P3HT 结晶，形成 edge-on 的结晶。5CT与 PCBM 间由于较强的 π-π 相互作用，能诱导 PCBM 形成复合聚集体，限制彼此的结晶。电场下，液晶与 PCBM 形成的纳米棒能沿电场方向取向。小角掠入射 X射线散射的结果表明，外电场强度为600 V/mm，且液晶小分子含量为 6 wt%时，PCBM的聚集体尺寸约为30 nm，器件效率达到最高值 3.5 %。.为了理解液晶小分子和PCBM之间的相互作用，采用密度泛函理论计算了两者间的电子结合能，发现5CT和PCBM的电子结合能最大，而氰基联苯和三联噻吩的则较小，与苯环上的强吸电子氰基官能团有关。实验结果表明，5CT与PCBM的超分子作用最强，在150°C退火2h后，5CT抑制PCBM结晶的作用最强，认为液晶小分子可以提高活性层薄膜的形貌稳定性。.在成膜过程中施加1T的磁场，发现在P3HT/液晶二元共混物中，磁场能诱导液晶小分子形成尺寸更小的结晶，而液晶的存在则会使P3HT形成更多的纳米线，相应薄膜的空穴迁移率提高。二维广角掠入射X射线散射的结果表明，磁场能诱导液晶的取向，相应的器件性能也比未经磁场处理的器件效率更高。.本项目的研究结果使我们深刻认识到了液晶小分子是P3HT的优良成核剂，且与PCBM之间存在较强的超分子作用，强度与取代基的电子效应有关。这种超分子作用可以用于提高活性层薄膜的热稳定性，这对于开发高效稳定的有机太阳能电池提供了新思路。