用于OPVs中厚度不敏感型电子传输层的非共轭聚合物的制备及性能研究

The interfacial layer is one of key factors in determining power conversion efficiency of an organic photovoltaic (OPV) device. It is necessary that high performance electron transport layer (ETL) materials should possess some characteristics such as low cost, possibility of low-temperature process and low sensitivity to thickness in order to meet the requirements of roll to roll printing process. However, the current ETLs are difficult to possess these characteristics at the same time. A series of low-cost, transparent, non-conjugated polymers will be designed and prepared by quaternization reaction between ethoxylated polyethylenimine or the organic small molecules containing polyamine and dihalide compounds and subsequent ion exchange reaction in this prospectus. Subsequently, the electron mobilities and electrical conductivities of these polymers will be improved by tuning counterion Lewis alkalinity, counterion bulk, counterion concentration, position of quaternary ammonium cation, crosslinking density and chain flexibility of the crosslinkers to exploit high performance ETLs with thickness independence. These polymers will be used as the ETLs in the OPVs based on fullerene acceptors and non-fullerene acceptors, and the OPV devices with high power conversion efficiency would be achieved. Finally, the effects of ionic property and crosslink structure of non-conjugated polymers on molecular aggregation, ion diffusion, electron mobility, conductivity and photovoltaic properties of the corresponding OPVs will be systematically studied to reveal the relationship between chemical structure and electron transport property. The study would provide new ideas and insights for designing and preparing high performance ETLs with thickness independence.

电极界面修饰层是决定有机太阳能电池（OPV）能量转换效率的关键之一。卷对卷印刷工艺要求高性能电子传输层（ETLs）材料必须兼具廉价、可低温加工、高厚度耐受性等特点，而当前的ETLs难以同时满足这些要求。本项目拟将聚乙氧基乙烯亚胺或含多元胺的有机小分子与二卤代化合物进行季铵化反应，随后进行离子交换反应，制备得到廉价、透明的非共轭聚合物。通过调控聚合物中抗衡离子的路易斯碱性、抗衡离子体积、抗衡离子浓度、季铵离子位置、交联密度和交联剂的柔顺性，提高聚合物的电子迁移率和导电率，获得高厚度耐受性的非共轭聚合物ETLs，将其应用于富勒烯和非富勒烯OPVs器件中，制备高能量转换效率的OPVs器件。系统研究离子属性与交联结构对聚合物的聚集态、离子扩散、电子迁移率、导电率以及相应OPVs光伏性能的影响规律，进而阐明非共轭聚合物的化学结构与电子传输性能的关系，为设计和制备高性能厚膜ETLs提供理论依据和指导。

为满足有机光伏器件（OPV）对高性能电子传输层（ETLs）的需求，本项目发展了一系列廉价、可低温溶液加工、具有较好厚度耐受性的ETLs，用于反向OPV器件，并详细研究了这类材料结构与性能的关系。取得的研究成果如下：（1）首次以非共轭聚合物通过季铵化反应制备得到厚度不敏感型电子传输层并用于制备高性能反向OPVs，系统研究了抗衡离子结构对聚合物性能的影响规律；（2）研究并证实了聚合物中的侧基为羟乙基有利于聚合物的极化，提高器件的电子提取和电子传输能力，同时，具有网状结构的聚合物比线型聚合物更有利于电子提取和电子传输；（3）证实以多元叔胺小分子与多卤烷烃反应制备聚电解质是一种有效的高性能ETLs设计策略，以五羟乙基二乙烯三胺与二溴辛烷制备的非共轭聚合物PEDETA-DBO的性能优于ZnO；（4）初步明确非共轭聚合物可用于厚膜ETLs的机制，初步分析了ETLs中残留的叔胺基团会导致非富勒烯受体分子降解是降低ETLs的厚度耐受性和OPV器件稳定性的原因，初步研究表明，在电子传输层中加入脂肪酸，可抑制叔胺与受体分子的双键反应，并有效提高电子传输层的厚度不敏感性，当在PEDETA-DBO加入十六烷酸后，即使厚度为30 nm，基于PM6:Y6的反向OPVs的PCE仍保持15.33%，这是目前基于厚膜有机ETLs的最高PCE值；（5）以实验室合成的光伏材料及电子传输层材料，制备了高性能的三元OPV器件，其能量转换效率超过18%。.最终圆满完成项目目标（厚膜条件下，OPVs的PCE达到10%-14%），本项目研究为发展反向OPVs器件的ETLs提供了新思路，这也为继续开发高性能ETLs并制备高稳定性反式非富勒OPVs提供了研究基础。.在本项目的支持下，获得一批较好的成果，授权专利3项，发表标注基金号的论文17篇，其中，以通讯作者身份发表的一区论文（中科院）9篇，并培养了13名研究生获得了学位。