氯取代提高非富勒烯聚合物太阳电池的效率和稳定性:衰减机制的研究

Based on non-fullerene acceptors, material synthesis and device photovoltaic power conversion efficiency (PCE) of polymer solar cells (PSCs) have achieved novel breakthrough. However, the stability of devices still as a challenge urgently to be solved. Because of the unique atomic radius and electronic structure of the chlorine atom, the introduction of chlorine atoms into the polymer donor material or non-fullerene acceptors provides a dual improvement in device performance and stability in suitable materials. Fundamental on the selection of suitable chlorinated polymer donor and non-fullerene acceptor materials, this project prepared a chlorine-substituted non-fullerene polymer solar cell with high performance and stability, and studied the mechanism of stability and degradation. This work mainly studied the key reasons for the position and quantity of chlorine substitution on the performance and stability of polymer solar cell devices. According to the experimental results of device degradation before and after, changes of various performance parameters were analyzed to research the reasons for stability. After the solid characterization and test of stability based on chlorine-substituted non-fullerene polymer solar cells, mechanism of stability degradation was roundly explored from experiments and theory, thus new methods were developed to prolong the lifetime of PSCs.

基于新型非富勒烯受体制备的聚合物太阳电池在材料体系的合成和器件光电换效率上都已取得了重大的突破，但是其器件的稳定性也是急需解决的挑战性问题。因为氯原子特有的原子半径和电子结构，将氯原子引入聚合物给体材料或非富勒烯受体中后，在合适的材料中能够实现对器件性能和稳定性的双重提高。本项目立足于选择合适的氯代聚合物给体和非富勒烯受体材料，制备出性能高效和稳定性良好的氯取代非富勒烯聚合物太阳电池，并研究其器件的稳定性和性能的衰减机制。本项目主要研究氯取代的位置和数量对聚合物太阳电池器件性能和稳定性提升的关键原因，通过光照和变温等外部刺激对器件进行老化实验。根据器件前后衰减的现象，分析各个性能参数变化的原因。经过对氯取代非富勒烯聚合物太阳电池进行详细的表征和稳定性测试后，从实验和理论上探索氯取代器件性能的衰减机制，发展新的方法延长聚合物太阳电池的使用寿命。

基于高性能聚合物给体和非富勒烯受体不断被开发出来，器件结构和工艺的创新，聚合物太阳电池的能量转换效率已超过了19%。如果要实现商业化的应用，器件的稳定性是亟待解决的问题。本项目基于合成高性能的聚合物给体和非富勒烯受体材料，并制备高性能和稳定性的有机太阳电池。从材料的本征稳定性和器件的光照和存储稳定性上进行器件的老化研究。研究材料的分子结构，形貌特征以及激子迁移性质与器件稳定性之间的关系，发展适用于制备兼具高性能和稳定良好的有机太阳电池材料，探索分子结构和器件稳定性之间的构效关系。在氯取代给体和非富勒烯受体合成，聚集结构和器件稳定性等几个方面开展了系统创新研究，全面实现了预定目标并取得了一些重要的研究成果，设计和合成了新的氯取代聚合物给体和非富勒烯三维网络受体材料，研究了它们的光伏器件稳定性。利用氯取代非富勒烯受体的高稳定性制备了高性能的有机光伏电池，发展了准平面异质结有机太阳电池。通过开发新的齐聚物受体材料，进一步提高了有机太阳电池的稳定性。结合氯取代和不对称策略，合成了新的高性能受体材料BTIC-2Cl-γCF3并解析了单晶结构，通过选取合适的给体材料，用生态兼容的非卤代溶剂甲苯制备高稳定性的有机太阳电池。通过对器件稳定性性的研究，对未来氯取代聚合物给体和非富勒烯受体分子的设计以及提升聚合物太阳电池的稳定性提供了新的研究思路。