富勒烯基聚合物太阳电池活性层中分子取向结构及调控研究

Polymer solar cell is a new type of photovoltaic cell, which has the advantages of easy modification, light weight, low cost, simple fabrication and capability to be fabricated into flexible devices, however, its present power conversion efficiency (PCE) is low (less than 10%) in lab. So it became the research hots in physical, chemical and material fields. The molecular orientation in the active layer has been confirmed to be an important factor to influence the PCE in the recent report, however, how to obtain the optimized molecular orientation is not clear. To understand the influence mechanism of this microstructure factor on the photoelectric properties, this proposal selects the fullerene derivative PCBM and ICBA as electron acceptors, and selects conjugated polymer P3HT as a donor to prepare blend bulk heterojunction (BHJ) by spin coating as the active layer of device. Through external electric field, stress field, temperature field and magnetic field we are going to modify the structure of donor, acceptor and the assembly of BHJ, and then employ dielectric spectroscopy to study the evolution of molecular orientational structure under the effect of external fields. Combining with morphological and structural characterization and conductivity spectra， we will investigate the interaction of molecules and the carrier mobility law in BHJ. This study will disclose the molecular orientational dynamics in BHJ precursor and assembly under the controlled external conditions. The research result could provide a new experimental basis to improve the PCE and stability of organic solar cell.

聚合物太阳电池是新型有机光伏电池，具有易修饰、轻薄、成本低、制作工序简单、可制备柔性器件等特点，但实验室能量转换效率一直较低（<10%），因而吸引了化学、物理、材料等领域的众多研究。新近的研究证实活性层中分子取向对转换效率有重要影响，但如何获得最优化的分子取向尚不明确。为理解这一微结构因素对光电特性的影响机制，本申请拟采用富勒烯衍生物PCBM和ICBA作为电子受体，共轭聚合物P3HT作为给体，用旋涂法制备共混型本体异质结(BHJ)作为器件活性层；通过外部电场、应力场、温度场、磁场等调控给体与受体的结构及BHJ的组装；同时用介电谱方法研究它们在外场作用下分子取向结构的演化；结合形貌表征、结构表征和电导谱研究异质结中的分子相互作用与载流子迁移规律。本项研究将揭示BHJ前驱体及其组装过程中分子取向动力学，为提高有机太阳电池的能量转换效率及稳定性，提供新的实验依据。

聚合物太阳电池是新型有机光伏电池，制约其光电转换效率的活性层微结构十分复杂。本项研究采用C60衍生物PCBM作为电子受体，共轭聚合物P3HT作为给体，用旋涂法和流延法制备了共混型本体异质结(BHJ)作为活性层，通过外部温度场、应力场、磁场等调控给体与受体的结构及BHJ的组装。首先，介电谱发现由于碳球上连接了衍生的苯基和丁酸甲酯，降低了分子再取向的势垒高度，从而导致激活能和原生C60相比降低了约20 meV。XRD证实，经过热处理后，P3HT的链分子规整度增强，有利于载流子的输运。BHJ的XRD证实，退火前为非晶鼓包，退火后P3HT及PCBM的特征衍射峰显现。SEM发现退火后活性层有聚集现象，温度有助于其晶化。在300-3000Hz的低频范围内，介电谱观察到BHJ的弛豫现象，激活能为~251 meV，归因为异质结制备过程中，出现了陷阱，电荷载流子通过D/A界面时，被陷阱所捕获。陷阱深度经过100°C的30分钟退火升高~30meV，证实了可通过控制活性层的厚度和热处理来调控异质结薄膜的结构，控制电传输。退火后开路电压可达到0.7V。其次，采用自开发的声应力调控装置，在薄膜固化的自组装生长过程中施加了~36kHz超声应力。结果发现，经应力调控BHJ的XRD证实分子有序度降低，介电弛豫激活能为256meV，表明载流子跳跃式迁移的势垒没有发生变化，此时的开路电压为0.8V。这说明超声应力导致的适度无序使得活性层给体与受体之间叉联交结，增加了内建电场，有益于电荷分离。再次，采用自开发的磁场调控装置，在薄膜固化生长的自组装过程中施加了~0.5T磁场。结果发现，施加垂直于薄膜表面磁场的XRD衍射峰受到了显著抑制，而平行磁场无明显变化。同时介电谱测量表明，垂直磁场的薄膜介电弛豫给出的载流子跳跃激活能为~270meV，升高了~20meV。这说明垂直磁场的施加使得活性层分子有序度降低，不利于载流子迁移，导致开路电压降低为0.3V。此外，我们还研究了紫外光辐照下C60分子的聚合及铁磁性，实验上提供了C60-H之间发生的自旋转移，转移后的自旋耦合后形成磁性序。采用多种方法制备了纳米Si，并研究其光电特性。发展了新的理论模型，用于计算高温高压下固体材料的宏观性质。项目累计发表论文3篇（SCI收录2篇），发展材料生长装置2种，样品处理装置2种，申报专利4项（其中1项已授权）。