聚合物太阳能电池多尺度协同关系及对器件性能的影响

The morphology study of polymer solar cells is currently limited to the polymer crystallnity and domain size characterization. After the discovery of the mixture regions in bulk heterojunction polymer solar cells, the concept of domain purity becomes more and more important. Meanwhile, the multi-length scale structure is observed in many systems, which adds the complexity of the morphology investigation. It is critical to study these multi-structure parameters (domain size and domain purity), multi-length scale structure as well as the its relationship with device performance. This proposal intends to probe the multi-length scale structure with combining Resonant Soft X-ray Scattering (R-SoXS) and Grazing incident Wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) techniques, then establish the internal correlation of domain size and domain purity at different length-scales, and finally find its impact on device performance. This multi-dimensional investigation paves a pathway to better understand the detailed “structure-performance” relationship, provides a novel approach to optimize the device, and provides a powerful tool to fabricate more efficient polymer solar cell.

聚合物太阳能电池的形貌表征目前仅限于对聚合物结晶性能和相分离尺寸大小的描述。随着混合相区的发现，相区纯度的概念变的越来越重要。同时多尺度的形貌特点也在越来越多的聚合物太阳能电池中被发现。对这种多结构参数，多尺度的复杂形貌特征的表征，及在更深层次理解结构和性能的关系，在目前的聚合物太阳能电池形貌研究中显的格外重要。本项目拟采用基于同步辐射的广角X射线散射和共振软X射线散射的方法来揭示聚合物太阳能电池中的多尺度结构，以及各尺度结构在相区尺寸，相区纯度方面的联系。深入探索多尺度结构对聚合物太阳能电池性能方面的影响。这种全方位，多尺度的表征方法为我们更深刻理解聚合物太阳能电池中结构和性能的关系提供了可能性，为寻找新的器件优化方法提供了手段，并为制备出更高性能的聚合物太阳能电池提供全新思路。

聚合物太阳能电池的活性层形貌与器件性能参数密切相关。目前，聚合物太阳能电池的形貌表征仅限于对聚合物结晶性能和相分离尺寸大小的描述。随着混合相区的发现，相区纯度的概念变的越来越重要。同时多尺度的形貌特点也在越来越多的聚合物太阳能电池中被发现。对这种多结构参数，多尺度的复杂形貌特征的表征，及在更深层次理解结构和性能的关系，在目前的聚合物太阳能电池形貌研究中显的格外重要。本项目主要聚焦聚合物太阳能电池活性层形貌精细结构的调控及表征，阐明不同尺度相区在尺寸和纯度的协同作用下对器件性能的影响，理解不同加工手段对聚合物多尺度形貌的调控作用，并通过对不同尺寸形貌的优化，实现聚合物太阳能电池性能的提升。本项目取得的研究成果主要包括采用刮涂法在空气环境中制备具有优化的形貌和稳定性的高效非富勒烯器件、采用三元策略和刮涂法实现给受体结晶性的平衡、采用路易斯酸掺杂有机太阳能电池协同优化形貌及性能等。在该项目的资助下，项目执行期间课题组在Advanced Materials、Joule、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials等高水平杂志共发表研究论文50篇。本项目取得的研究成果深入揭示了加工参数对有机太阳能电池活性层多尺度形貌结构的影响，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性能提供了有力指导。同时，通过刮涂法在空气中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生产以及工业化过程奠定了基础。