超分子协同诱导效应下有序活性层的构筑及其在太阳能电池中的应用研究

The active layers of bulk heterojunction structure polymer photovoltaic cells are mainly face with the low ordered, large scale aggregation morphologies and limited methods for morphology optimizing. In order to obtain an ideal active layer morphology,we want to utilize superamolecular self assemble synergistic induction method for morphology optimizing. In this project, we design and synthesis a series of fullerene derivatives as acceptor materials which can form high odered structure by superamolecular self assemble method during the solution process. The acceptor material with high odered structure is viewed as acceptor template, which can assist and induce the donor materials to form long range ordered, nanoscale phase separation and p-n continuum channel active layer by the force of superamolecular synergistic induction between acceptor template and donor material. This method can be applied in more widely area, not only can arrange the amorphous donor materials in an order, but also can avoid the fussy post-processing.According to this novel concept,we want to investigate the relationship between the morphology of active layer and the performance of solar cell,then obtained new acceptor materials with high solar cell performance, which can substitute PCBM.

本项目拟以新方法、新材料突破为主导，针对目前有机聚合物体异质结太阳能电池活性层形貌普遍存在低有序度、大尺度聚集以及有限的形貌优化手段等现状，开展利用超分子自组装协同诱导效应的方法构筑理想结构活性层的相关工作。该方法在溶液加工过程中，利用具有超分子自组装性能的富勒烯衍生物预组装形成的有序结构为受体模板，并通过聚合物给体材料与该受体模板间的协同诱导作用力形成长程有序、纳米尺度相分离、连续传输通道的层状结构共混活性层。这种新型的受体材料相对于目前普遍研究的受体材料（例如，PCBM）来说具有更广的应用范围，通过溶液旋凃加工方法以及受体模板的诱导效应来构筑的理想活性层，不仅可以使大量无定型给体材料实现有序排列并形成连续的传输通道，而且避免了热退火等繁琐的后处理工艺。以这样一个全新的理念去探索理想活性层形貌的构筑方法，以及形貌对太阳能电池性能影响，最终有望获得取代PCBM的高性太阳能电池受体材料。

目前在有机太阳能电池中，人们往往采用热退火、溶剂退火、添加添加剂等后处理方式构筑纳米尺度相分离的具有双连续传输通道的活性层形貌，进而来改善太阳能电池的性能。但是这些后处理方式都存在着不易于控制、难于大面积应用等缺点，此外热退火处理还会破坏器件的稳定性。本项目针对这些现状和问题，开展了利用超分子自组装协同诱导效应的方法构筑理想结构活性层的相关工作。通过分子修饰的方法，合成了一系列不同长度烷氧基链、氟原子及吸电子基团取代的富勒烯衍生物。这些富勒烯衍生物在溶液加工过程中，首先利用自身的超分子作用力自组装成有序结构，随后通过长烷氧基链诱导给体材料结晶形成长程有序的层状结构，最终构筑纳米尺度相分离的、具有双连续传输通道的理想活性层形貌。由此形成的活性层有利于激子的分离和传输，对于改善太阳能电池的短路电流、填充因子，提高器件的光电转换效率(PCE)有显著的作用。其中一种富勒烯衍生物PCBB-CN-C8与聚3-己基噻吩(P3HT)共混应用于太阳能电池，不进行后处理时，PCE为3.6%，是目前已经报道的未经热退火处理的P3HT体系的太阳能电池器件中的最高效率，当其热退火处理后，PCE甚至达到了4.2%，能够与现有的具有最高PCE的P3HT体系的太阳能电池器件相媲美，而这种高的PCE需要经过两步复杂后处理才能够得到。同时我们也细致研究了该系列双疏水性富勒烯衍生物分子结构变化对协同诱导效应的影响，进而与太阳能电池性能之间的关系。此外，围绕该系列富勒烯衍生物，发展了一种多功能富勒烯衍生物PCBB-2CN-2C8，可以实现对钙钛矿太阳能电池电子传输层表面进行组装和钝化，减少表面缺陷，降低缺陷复合，改善器件光电转换效率及滞后效应，延长器件寿命。本项目提供的这种利用超分子自组装协同诱导效应，构筑具有纳米尺度相分离有序活性层形貌的方法，能够避免一些后处理方式所带来的工艺繁琐、器件稳定性差的问题，并能够应用于柔性大面积太阳能电池，获得较好成果。这将使得有机太阳能电池在实现产业化的崎岖道路中更进一步。