非富勒烯有机太阳能电池的光生载流子动力学与材料设计

The project is aimed at the problems on the low light absorption efficiency and the limited electron transfer of donor/acceptor interfaces in the active layer of heterojunction organic solar cell, with the purpose of solving the issues of the competition dynamics process between exciton dissociation and charge recombination for non-fullerenes acceptors in organic solar cells. The main research contents include the relationship between the molecular structures and properties, the optical absorptions, the charge transporting, the dynamic process of the carrier in donor/acceptor interfaces and the material design of the low-cost non-fullerenes acceptors. In order to understand the mechanism between exciton dissociation and charge recombination in donor/acceptor interfaces, we carried out an innovative research on the charge-transfer dynamics of non-fullerene materials and donor/acceptor interfaces in organic solar cells through the combination of quantum chemistry and time-resolved pump-detection spectroscopy. We summarized the reasonable models and methods which can provide a reliable theoretical basis for the design of non-fullerenes acceptor materials. According to the model of the project provided, we can achieve the goal of obtaining high-efficiency, stable and low-cost non-fullerenes materials for organic solar cell applications, which is of great significance to the field of solar energy utilization and development in our country.

本项目针对异质结有机太阳能电池活化层中供受体材料存在光获取效率不高及供受体界面电子转移效率低的问题，以解决非富勒烯受体在有机太阳能电池中供受体界面激子拆分与自由电荷复合竞争的动力学问题为目标，拟开展非富勒烯受体分子结构和供受体化合物结构及其电子结构信息和激发态性质的对应关系、光学吸收光谱模拟、电荷传输性能、供受体界面载流子动力学过程及低成本潜在非富勒烯受体材料的设计等研究。通过采用量子化学技术和时间分辨泵浦-探测光谱技术相结合的方法开展对共轭受体材料及供受体化合物在有机太阳能电池中的载流子动力学过程的创新研究，实现对供受体化合物中供受体之间的电荷的分离与复合机制理解，归纳具有普适性的理论模型，为非富勒烯受体材料设计提供可靠的理论依据。通过本项目的研究，能够达到通过构建的理论模型，为有机太阳能电池提供获取高效、稳定、低成本的非富勒烯受体材料方法的目的，对我国的太阳能利用与开发领域有重大意义。

共轭有机材料在太阳能电池、发光二极管等电子器件中具有广泛的应用前景，本项目从非富勒烯共轭有机分子出发，开展如下研究：1）通过量子化学计算模拟共轭有机分子的几何结构、电子性质、吸收/发射光谱和电荷迁移率等基本性质，重现已知分子的实验结果，构建合适的计算模型，考察共轭有机分子结构和固有属性在太阳能电池器件应用中的作用机制；2）根据构建的计算模型，探索了共轭π桥对芳胺类衍生物共轭有机分子性质的影响，对理论设计的潜在共轭有机小分子材料进行实验合成，材料的相应特征能进一步重现理论计算结果，证明本研究提供的计算模型是可靠的；3）将合成的共轭有机小分子作为空穴传输材料应用于钙钛矿太阳电池器件，相比于对应的参考分子，基于设计的共轭有机小分子空穴传输的电池器件均表现出更高的光电转换效率（PCE），比如，以设计的CQ4分子作为空穴传输材料，对应的钙钛矿太阳能电池器件PCE（17.48%）高于典型的参考分子Spiro-OMeTAD的器件PCE（17.12%）。本项目提供的研究策略，对共轭有机小分子半导体材料结构和性质的理解及材料设计具有重要的参考意义。另外，本工作中所设计的共轭有机小分子在太阳能电池研究领域将会具有广阔的应用前景。