有机太阳电池给受体界面分子取向对能量损失的影响

The rapid development of non-fullerene acceptors have driven the power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells (OSCs) to a new level. Due to the development of materials, processing techniques and working mechanisms, the short-circuit current density and fill factor of OSCs have been greatly improved. However, this trend tends to slow down. Further improvement of the PCE of OSCs will be strongly depended on the improvement of open-circuit voltage, which can be achieved by reducing the energy loss during the photoelectric conversion process. The donor(D) / acceptor(A) interfaces are where exciton dissociation and charge transfer happen, and the structures of D/A interfaces (especially the molecular orientation at the interfaces) are tightly related to the photoelectric conversion process. Unfortunately, the lack of techniques to manipulate the interfacial molecular orientation and the difficulties to precisely characterize them hinders our understanding of the relationships between the interfacial molecular orientation and photoelectric conversion process and energy loss, and the further improvement of the PCE of OSCs. Targeting on the manipulation and precise characterization of the interfacial molecular orientation, this project aims to reveal the influence that the interfacial molecular orientation imposed on the exciton dissociation and charge transfer, which will facilitate the development of highly efficient OSCs with low energy loss and high open-circuit voltage.

非富勒烯受体材料的发展带动有机太阳能电池的能量转换效率到了新的层次。伴随着新材料，新工艺，及新机理的研究，有机太阳能电池的短路电流密度和填充因子获得了长足的发展，然而这种趋势趋于平缓。有机太阳能电池效率的进一步提高将强烈依赖于开路电压的进一步提升。这需要减少光电转化过程中的能量损失。给／受体界面是激子分离和载流子传输的重要场所，其结构（特别是界面分子取向）对光电转化过程有重要的影响。然而，目前针对界面分子取向调控手段的缺乏及精确表征的困难，严重制约了我们对界面分子取向与光电转化过程、能量损失机理的内在联系，影响了器件性能的进一步提升。针对这些科学问题，本项目拟以界面分子取向的调控和表征作为突破口，揭示界面分子取向对激子分离和载流子传输的影响，从而为制备低能量损失、高开路电压及高能量转化效率的有机太阳能电池器件奠定坚实基础。

非富勒烯受体材料的发展带动有机太阳能电池的能量转换效率到了新的层次。伴随着新材料，新工艺及新机理的研究，有机太阳能电池的短路电流密度和填充因子获得了长足的发展，然而这种趋势趋于平缓。有机太阳能电池效率的进一步提高将强烈依赖于开路电压的进一步提升。这需要减少光电转化过程中的能量损失。给/受体界面是激子分离和载流子传输的重要场所，其结构（特别是界面分子取向）对光电转化过程有重要的影响。然而，目前针对界面分子取向调控手段的缺乏及精确表征的困难，严重制约了我们对界面分子取向与光电转化过程、能量损失机理的内在联系，影响了器件性能的进一步提升。本项目主要聚焦界面分子取向的调控及精确表征，结合器件激子分离及载流子复合过程的测试，寻找界面分子取向与激子分离和载流子复合之间的关系，理解不同界面分子取向对器件能量损失的调控作用，并通过在本体异质结中对界面分子取向的优化，实现有机光伏器件开路电压与光伏性能的提升。本项目取得的研究成果主要包括采用溶剂诱导策略和图案化策略实现分子取向调控，通过分子取向调控分析其对激子分离和电荷复合的影响规律，阐明不同分子取向对能量损失的调控作用，制备高开路电压、高能量转换效率的有机光伏器件。在该项目的资助下，项目组在Joule、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等高水平杂志共发表研究论文49篇。本项目取得的研究成果深入揭示了分子界面排列结构对有机太阳能电池能量损失的影响，为从活性层材料设计、加工参数优化以及形貌结构调控等方面优化器件开路电压及光伏性能提供了有力指导。同时，通过刮涂法和狭缝挤出法在空气中调节分子取向并制备高效有机太阳能电池的成功，为实现有机太阳能电池的大面积制备以及工业化生产奠定了基础。