高效率非富勒烯型聚合物太阳电池活性层材料的研究

In comparison with the electron acceptor materials based on fullerene derivatives, the absorption spectra, molecular energy levels, carrier mobilities and solution processabilities of the non-fullerene-based acceptors can be more easily tuned through the modifications of their molecular structures. In recent years, the photovoltaic performance of fullerene-free PSCs were improved rapidly and exhibited promising properties for practical applications. However, the efficiencies obtained from fullerene-free PSCs are still lower than those achieved from the fullerene-based PSCs. In our preliminary studies, we successfully fabricated the fullerene-free PSCs with an outstanding efficiencies of 11.2%, which is almost the same as the world record efficiency obtained from fullerene-based PSCs. In this project, we propose to systematically carry out the studies on the photoactive materials for the applications in fullerene-free PSCs. We plan to design and synthesize a few series of new materials including new conjugated polymeric donors and non-fullerene-based acceptors, and then investigate the device fabrication methods based on these new materials. Based on the above proposed research plan, we will realize over 13% efficiency in fullerene-free PSCs, which will not only surpass the current world record efficiency but also make great contributions for the PSC research filed.

相比于富勒烯型电子受体材料，非富勒烯电子受体材料的分子能级、吸收光谱、迁移率、溶解性等特征更加容易通过改变分子结构进行调制。近几年来，基于非富勒烯型的聚合物太阳电池的光伏性能得到迅速的提高，展现出十分突出的前景，但是其效率仍明显低于富勒烯受体的聚合物太阳电池。通过几年来的预研工作，我们成功制备了效率高达11%的非富勒烯型聚合物太阳电池，该结果与目前富勒烯型聚合物太阳电池的世界最高效率基本相同，并且得到两家第三方机构的认证。在本项目中，我们建议在上述预研工作的基础上，深入研究非富勒烯型聚合物太阳电池中的活性层材料设计方法和规律，获得新型的聚合物给体材料和非富勒烯型受体材料，优化非富勒烯型聚合物太阳电池的制备方法，最终将非富勒烯型聚合物太阳电池效率推进到13%以上，显著超越目前整个聚合物太阳电池领域的世界最高效率。本项目的预期成果将对聚合物太阳电池领域产生重要的推动作用。

聚合物太阳电池具有重量轻、成本低、半透明、可通过印刷工艺制备大面积柔性器件等突出优点，已经成为一项具有重要应用前景的新型光伏技术。本项目基于光伏材料的分子设计，我们对光活性层材料的吸收光谱、分子能级和聚集态结构进行了系统、深入的调控，合成了大量性能优异的光伏材料；建立了分子结构与光伏性能之间的构效关系，发展了一系列制备高效光伏材料的分子设计规律；通过分子表面静电势的分析，解释了高效非富勒烯太阳能电池在低驱动力下，实现电荷的有效拆分；并结和分子表面静电势获得了有效的制备高效光活性层材料的分子设计方法。我们对聚合物太阳能电池的器件制备工艺进行优化，制备了能量转换效率为17.8%光伏器件；同时,我们也制备了高效、具有特定用途的光伏器件，如半透明器件（8.38%，平均透过率为25.7%）、叠层器件（14.9%）、室内光器件（26.1%，1000 lux），为聚合物太阳能电池产业化奠定了基础。通过本项目实施，我们获得了多种提升聚合物太阳能电池的方法，在以上各类有机光伏电池中均取得世界领先地位，对聚合物太阳能电池的理论研究和实际应用具有重要的意义。