基于非富勒烯受体的高效稳定厚膜有机太阳电池的研究

The use of non-fullerene acceptors (NFAs) is a promising approach to achieve high-performance organic solar cells (OSCs) which cause many researches, because NFAs have stronger light absorption ability and their absorption spectra and energy levels can be drastically tuned to match well with more donors. However, the low electron mobility of NFAs limited the increasing of the optimal thickness of active layer, thus hinder the absorption and utilization of the light and the performance improvement of devices. Furthermore, the operating stability of NFAs OSCs is still need to study. Therefore, this project firstly aims to achieve high-performance, thick-film NFAs OSCs by ensuring fast collection of the holes with high hole mobility of the study systems and the accelerating the collection of the electrons by the following strategies: First, shortening the transmission distance of the electrons to the cathode by controlling the device structure combining the simulated optical field. Second, accelerating the transmission of the electrons with increasing the electron mobility of the non-fullerene systems by introducing the third components with high crystallinity and high electron mobility. Finally, fastening the electrons extraction from the cathode interface by using high conductive electron transport layer or introducing the interfacial modification layer. In the meantime, we will systematically investigate the stability of these devices and understand their degradation mechanisms, and alleviate the degradation by device optimization for achieving the high-performance, stable, thick-film NFAs OSCs, which will much further promote the progress of industrialization for OSCs.

基于非富勒烯小分子为受体的有机太阳电池，由于非富勒烯受体具有更强的光吸收，且光谱和能级可大幅度调节更易于与不同给体进行匹配，从而更有潜力获得优异的器件性能，因此得到了广泛的研究。然而目前的非富勒烯受体电子迁移率较低制约了电池器件光活性层最优厚度的增加，限制对光的吸收利用，阻碍器件性能的提升；此外，非富勒烯有机太阳电池的工作稳定性也有待系统研究。因此，本项目拟在高空穴迁移率的非富勒烯有机太阳电池体系中，结合光场模拟，调整器件结构来缩短电子的传输距离；引入高结晶性的第三组分来提高电子迁移率加快电子的传输速率；使用高导的电子传输层或引入阴极修饰层来加快电子在界面处的抽取速率。最终使得电子和空穴都可以被快速收集，从而实现高效厚膜的电池器件。同时将系统地研究此类器件的稳定性，揭示其衰退机制，并通过器件优化减轻其衰退进程，以期获得高效稳定厚膜非富勒烯有机太阳电池，加速有机太阳电池的产业化进程。

虽然基于非富勒烯小分子受体的有机太阳电池具有较大的发展潜力，但其要实现产业化还需解决如下问题：开发制备高效厚膜器件的加工工艺、实现高效稳定的器件以及探索产品应用。为此，我们开展了如下的研究工作：研究发现对于大部分电子迁移率较低的非富勒烯有机太阳电池体系，采用倒装器件结构可以普遍缩短了迁移率较低的电子的传输距离，实现更高效的厚膜器件。另外，发现在基于ITIC（或IT-4F）类的非富勒烯受体的体系中，引入高结晶性的第三组分如N2200、DPP等第二受体，受限于受体之间的共混性以及形貌控制问题，并不能获得预期的更高效的厚膜器件；研究发现基于新型非富勒烯受体Y6的体系，可以实现更高效的厚膜器件（活性层250nm时，器件效率超过14%），通过研究单晶结构发现相比于IT-4F，Y6分子具有更加规整的三维网络的堆积结构，因此具有更高的电子迁移率以实现高效的厚膜器件；开发了一款荧光增白剂掺杂的具有光电导的ZnO电子传输层，制备了效率超过17%的有机太阳电池器件，采用该器件的性能对电子传输层厚度的敏感度远低于纯ZnO的，且该杂化界面可以过滤部分紫外光从而提高器件的光照稳定性；通过C60-SAM自组装界面修饰ZnO可以减弱活性层的结晶度和稳定形貌，最终获得持续光照寿命大于3.4万小时（推算寿命超过20年）的有机光伏器件，证明了有机光伏技术具有实现商业化的潜力；进一步将该界面修饰的策略应用于高效Y6体系中，获得了当时单节器件世界纪录15.6%的美国国家再生能源实验室（NREL）认证的稳定效率；采用窄带隙聚合物给体PM2于高效非富勒烯受体Y6-BO进行制备了目前最高效率（11.2%）的全窄带隙有机太阳电池，通过器件优化获得了可见光透过率超过40%、效率约6%的半透明有机太阳电池器件，该高可见光透过率的高性能半透明光伏器件更加适合用于建筑玻璃窗户上。