电场对含有机小分子离子型材料的光伏器件性能影响研究

Organic electrolytes have been recognized as a promising interlayer material in polymer solar cells (PSCs). Their solubility in polar solvents allows fabrication of multilayer devices without interface mixing by the solution processed approach. In spite of intensive research in this area, the device performance is still far from what might be expected, and the reason for this discrepancy remains poorly understood. Recently, we developed a simple, low-cost and highly pure small-molecule electrolyte (SME), and obtained a power conversion efficiency (PCE) of 6% using this SME in PSCs. In addition, we proposed a simple physical approach to improve the device performance. By applying a bias for a short time before the measurement, we can significantly improve the PCE from 6% to 9%, which is the highest efficiency based on electrolyte interlayers. Based these findings, we aim to develop new method and new theory to further improve the PCE over 10%. We propose to investigate how different bias conditions affect the device performance. Throughout this project, we aim to understand the physics behind the effect of electric field on the device performance by investigating the molecule structure, film properties as well device characteristics. We believe that our work will not only provide new insight into designing highly efficient interlayer materials but also provide new ideas into optimizing device performance.

离子型材料易溶于极性溶剂，可通过溶液法制备多层器件，且不会发生溶剂侵蚀现象，是一类非常有潜力的有机光伏器件界面修饰材料。目前的研究主要致力于新型化学结构的开发，但结果还远不及预期。最近，我们采用结构简单，纯度高，廉价的小分子离子材料实现了6%的效率，并一进步提出了通过物理的手段优化器件性能的思路。通过外加电场作用，器件性能指标明显提升，转换效率可达9.0%，是基于离子型界面材料的最高效率，但其性能提高的内在机制，影响因素和稳定性等还急需进一步深入研究和提高。本项目目标旨在此基础上，发展器件优化的新方法和新原理，实现大于10%的转换效率。围绕目标针对有机小分子离子材料，探索在不同外加电场作用方式下，器件性能参数的变化规律。通过项目实施，将从分子结构、薄膜性质和器件性能多方面掌握外加电场对器件性能影响的内在本质，澄清操作机制。为新型高效材料的开发提供理论指导，为器件性能的优化提供新的思路。

离子型材料易溶于极性溶剂，可通过溶液法制备多层器件，且不会发生溶剂侵蚀现象，是一类非常有潜力的有机光伏器件界面修饰材料。我们发现在倒置结构器件中，离子型阴极界面材料的界面修饰性受外加电场影响，但其性能提高的内在机制，影响因素和稳定性等还急需进一步深入研究和提高。本项目中我们首先研究了外加电场大小、方向和作用时间等条件对器件性能的影响规律，发现：1、正向偏压可以明显提高器件性能，而反向偏压则对器件没有明显影响甚至稍有降低器件性能；2、外加电压越大，器件性能达到最终饱和值时所需的时间越短，器件达到饱和时性能越好；3、随着外加电压时间的增加，器件性能逐渐提升直至达到一个饱和值。其次我们通过设计不同离子类型和数量的阴极界面修饰材料，研究了离子型界面修饰材料结构与其器件性能外加电场依赖性之间的内在关联，发现随H数目的增多，器件性能变差，在外加电场的作用下，主要是氢离子的移动导致了界面材料性能受外加电场作用影响。最后，在前期研究理论的指导下，我们开发了不受外加电场影响、结构简单、原料易得的非共轭小分子离子阴极界面材料（EDTA-4Na），器件效率达到9.69%，应用于非富勒烯受体体系，器件效率超过12%。同时我们还通过离子型界面修饰材料、钙钛矿结晶钝化材料等手段实现了在抑制钙钛矿太阳能电池迟滞现象的同时，提高了器件效率和稳定性。本项目的深入阐明了离子型界面材料结构、离子移动、外加电场与光伏器件性能之间的内在关联，不仅有助于开发新的高效稳定离子型界面材料，而且对于认识钙钛矿迟滞现象以及提高器件稳定有都有重要意义。基于以上研究，在Nat. Commun.、Adv Mater.、 Adv Energy Mater.、 Adv Funct. Mater.和Nano Lett.等杂志发表SCI论文33篇，培养研究生7名，项目负责人获得“万人计划”青年拔尖人才计划、浙江省杰出青年人才等项目的支持。