非富勒烯类聚合物太阳能电池中能量损失的研究

In the past decade, the narrow-band gap donor materials were leading the development of polymer solar cells (PSC). As a counterpart, the acceptor materials were progressed relatively slow, and most of the researches relied on fullerene-based acceptors. According to the literatures, the highest power conversion efficiency (PCE) of PSC has exceeded 10%. Nevertheless, the value is still far below the theoretical maximum. The energy losses (Eloss) correlated with the open circuit voltage (VOC) are the dominating inner cause that restricts the improvement of (PCE). In most of the cases, Eloss and external quantum efficiency (EQE) show a trade-off feature. Overcoming the Eloss and meanwhile maintaining a relatively high EQE will be the key issue to further improve the PCE of PSCS. Towards this central problem, this project focuses on three research aspects: 1) Taking the advantage of diversity of organic materials, we attempt to explore new non-fullerene acceptor materials (A) whose energy-levels match well with donor materials (D) and absorption spectra are complementary with each other, so that the Eloss caused by the mismatch of D/A energy-levels can be diminished. 2) We attempt to optimize the micro-phase separation, so that decrease the Eloss caused by tail-state-density and energetic disordering of the photoactive layers. 3) Through interfacial engineering between the electrodes and photoactive layers, we attempt to overcome the Eloss induced by the energy-level mismatch at the interfaces. 4) Investigate the interplay of charge transfer (CT) state with Eloss, VOC and density of state (DOS). The research work proposed in the project would serve as guidance to the improvement of device performance and exploration of new materials applicable in polymer solar cells.

窄带隙给体材料的发展给聚合物太阳能电池领域注入勃勃生机，而受体材料的发展却相对迟缓。目前能量转换效率（PCE）已超过10%，但与理论极限值相比，还有很大的提升空间。制约PCE提高的主要因素是与器件的开路电压（Voc）密切相关的能量损失（Eloss）。保持较高外量子效率的同时，减小Eloss（即提高Voc），是进一步提升器件PCE的关键。围绕Eloss这一关键课题，本项目将从以下四方面展开研究：1）开发与给体材料能级匹配、吸收互补的非富勒烯类受体材料，减少由给／受体能级失配造成的Eloss；2）调节活性层微相分离和有序度，减小由于带尾态密度和能量无序所引起的Eloss；3）通过界面能级调控，实现活性层与电极之间的准欧姆接触，减小界面能级失配造成的Eloss。4）探索电荷转移态复合损失与Eloss、Voc以及能级态密度之间的关系。本研究项目对器件性能的提升和新材料的开发均起到重要的指导作用。

聚合物太阳能电池（PSC）具有可溶液加工、大面积制备、材料结构和光电性能可调、资源丰富、成本低廉、环境友好等优势。聚合物太阳能量损失是阻碍光电转换效率进一步提高的主要原因，深入的理解能量损失和开路电压的制约因素，探求减小能量损失、提高开路电压的有效方法，是提高器件性能的关键。这些优势使其成为光伏领域中的研究热点之一，受到学术界和产业界的广泛关注。与聚合物太阳能电池结构和原理相似的钙钛矿太阳能电池近十年内发展迅猛，也成为薄膜太阳能电池的研究热点。界面调控与光吸收层的形貌是聚合物/钙钛矿太阳能电池共同的问题，不仅关系到电池的光电转换效率，也会影响到电池的稳定性和使用寿命。本项目主要从器件内部机制的深入研究和正确分析，并且有针对性的提出普适性的减小能量损失，提高开路电压、外量子效率和光电转化效率的方法，对聚合物太阳能电池的性能提高和实际应用会起到重要的指导作用。另外，通过界面和光活性层的调控，研究聚合物/钙钛矿太阳能电池电荷产生与分离的机理，从而获得转换效率高、稳定性好的太阳能电池。.a).结合现有的共轭聚合物给体，设计非富勒烯类电子受体分子结构，通过调节给体/受体材料的HOMO/LUMO能级，有目的地改善给/受体能级失配，实现对能量损失的有效抑制的同时，探索相应器件开路电压与PCE随能量损失的变化规律。.b).从器件的制备工艺入手，调控给/受体材料的共混形貌及微相尺度，从而实现给体HOMO能级带尾态密度，以及受体LUMO能级带尾态密度的调控，并改善其能量无序度。.c).针对活性层材料与电极功函数之间的能级失配问题，依据给体材料的HOMO能级和受体材料的LUMO能级，在活性层与电极之间引入界面修饰层，构造准欧姆接触，消除界面势垒，减小能量损失。.d).将聚合物太阳能电池中发展的界面修饰层材料与光活性层材料制备方法，应用于钙钛矿太阳能电池的制备和研究，发展了一系列可提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率和稳定性的界面修饰层材料，以及钙钛矿薄膜的制备方法。