水/醇溶性自组装嵌段共轭聚合物电解质界面诱导活性层有序结构提高聚合物太阳能电池光电转换效率

Interfacial morphology is not only paramount for the charge extraction and transport and but also dramatically affects the morphology of the upper active layer, thereby influencing the ultimate power conversion efficiency. Diblock conjugated polyelectrolytes(CPEs) combine the advantages of both diblock polymers and conjugated polyelectrolytes. On the one hand, the polar ionic groups make them soluble in water, alcohol and other polar solvents easily, environmentally friendly. In addition, the polar side chain pendant of the CPEs can result in the formation of an aligned interfacial dipole assembly at the CPEs/metal electrode interface, lowering the work function of cathode electrodes. On the other hand, such self-assembled diblock CPEs can act as a template tofurther partially induce a preferable orientation of face-on orientation the donor component, improving the morphology of the active layer and enhancing the power conversion efficiency (PCE) of the device. However, the correlationsbetween the structural assembly of CPEs ETLs on the crystalline ordering, morphology of theupper active layer and the final photovoltaic performance are still undiscovered. Based on this, the main research content in the project are as follows: (1) To design and synthesize a series of diblock CPEs, and investigate the influence of different polar chains, different number of polar groups and different main chains on the energy levels of the polymers; (2) Give a thoroughly investigation of the relationship between the structures of the diblock CPEs and self-doping effects and power conversion efficiency of the device; (3) And to study the effects of different diblock CPEs on the upper active layer, interface dipole and performance of photovoltaic devices.

界面层的形貌不仅对电荷的分离及传输至关重要，还会影响上层活性层的形貌，从而影响最终的器件效率。嵌段共轭聚合物集嵌段聚合物和共轭聚合物电解质的优点于一身，一方面，侧链极性基团可赋予材料水/醇溶性加工，环境友好，还能形成偶极子，降低界面势垒；另一方面，自组装的嵌段共轭聚合物电解质，可作为模板进一步诱导上层活性层形成 face-on 排列，改善活性层形貌，提高器件的光电效率。然而，共轭聚合物电解质电子传输层的自组装对上层活性层的结晶有序性及形貌以及光伏器件性能的影响仍未被关注。基于以上原因，本项目的主要研究内容包括：(1)设计和合成一系列嵌段共轭聚合物电解质，研究不同极性侧链、不同极性基团数量以及不同主链种类对聚合物能级的影响；（2）探讨嵌段共轭聚合物电解质结构与自掺杂效应和光电转换效率之间的关系；（3）研究不同结构的自组装嵌段共轭聚合物电解质对上层活性层形貌、界面偶极以及器件光伏性能的影响。

活性层形貌以及界面势垒是影响有机太阳能电池器件性能的重要参数，如若能设计一类电子传输层材料既可调控界面接触又能优化活性层形貌将是提高有机太阳能电池性能的一种有效途径。本项目通过主链和侧链的合理裁剪，引入超支化支链增强与基底的相互作用提高其自组装能力等，设计合成了一系列环境友好水/醇性嵌段共轭聚合物电解质和p型和n型超支化电解质,并将其应用于有机富勒烯太阳能电池和有机非富勒烯太阳能电池的电子传输层，具体研究内容及结果如下：. (1)本项目通过利用嵌段共轭聚合物电解质的自发组装特性与超支化化学物的自组装性能，诱导界面偶极取向，降低了界面势垒，提高了电荷的提取和收集效率；. (2)提出了利用主侧链工程和n型自掺杂效应协同调控阴极界面势垒和并提高材料的电导率，实现了电子传输层对电荷的选择性提取和高效传输，解决了电解质类电子传输层对厚度敏感性的难题，提高了电子传输层的普适性；. (3)得出了利用嵌段共轭聚电解质电子传输层可诱导活性层自组装成双连续的纳米微相分离的face-on排列结构。通过引入自发自组装的嵌段共轭聚合物电解质电子传输层作为模板进一步诱导活性层自组装，通过简单的界面调控就可实现对活性层形貌的调控，提高了电荷的分离及传输效率，最终提高了器件效率；. (4)系统总结了界面微观形貌、活性层形貌、材料能带隙和自掺杂强度等对有机太阳能电池器件性能的影响规律，并在此基础上，通过溶液加工制备了高性能有机富勒烯太阳能电池和有机非富勒烯太阳能电池，研究了电子传输层的普适性。. 本项目提供了对一系列环境友好溶剂加工的自组装嵌段共轭聚合物电解质及超支化电解质电子传输层的合成及光电性能的研究，为组装厚度不敏感、高效、普适性好可溶液加工的电子传输层材料的设计合成和提高器件效率提供了科学的指导。