高效全聚合物太阳能电池中给体材料的合成及器件性能优化

All-polymer solar cells (all-PSCs), with n-type conjugated polymers as electron acceptor instead of fullerene, have recently attracted great attention, owing to their advantages over fullerene-PSCs of high light absorption and chemical tunability of polymer acceptors, excellent film-forming property, superior photochemical and morphological stability. In the past few years, the power conversion efficiency (PCE) of all-PSCs has been gradually improved from 2% to 7-8%, based on N2200 as acceptor and low bandgap conjugated polymer as donor. However, the overlap in the absorption spectra of donor and acceptor limits the effective harvesting of sunlight in the active layer and hence impede the further improvement of PCE. Hence, this project focuses on design and development of new type broad bandgap two-dimension-conjugated polymer donors, which possesses complementary absorption and well-matched molecular energy levels with N2200 and high hole mobility. The absorption spectra, molecular energy levels, mobility and blend morphology can be effectively tuned by modifying the chemical structure and controlling the molecular weight of polymer donors. Suitable third component will also be used to further strengthen the active layer absorption. Furthermore, the all-PSCs based on the new blend material system will be optimized to obtain the PCE of over 10%. In addition, the relationship of polymer structure and property will be investigated to offer the theoretical foundation and experimental evidence for the design and synthesis of the polymer donor materials in all-PSCs.

全聚合物太阳能电池使用n-型聚合物取代富勒烯衍生物作受体，可以克服富勒烯受体存在的可见光区吸光弱、能级调控范围窄、光化学不稳定、形貌稳定性差等缺点，同时还具有优越的成膜性和高的稳定性，目前受到研究者的广泛关注。近年来，人们通过使用n-型共轭聚合物N2200为受体、窄带隙p-型聚合物为给体，将能量转换效率从2%左右提高到了7-8%；但是给体受体材料吸收光谱的交叠影响了活性层对太阳光的吸收，因而限制了器件效率的进一步提升。本项目着眼于设计开发一种与N2200吸收光谱互补、能级匹配且迁移率高的宽带隙二维共轭聚合物给体材料；通过化学结构修饰及分子量控制等来调控聚合物的吸收光谱、分子能级、迁移率及与受体的共混形貌；同时可使用第三组份增强活性层吸收；力争实现全聚合物太阳能电池能量转化效率超过10%。另外，考察聚合物结构与性能之间关系，为全聚合物太阳电池中聚合物给体材料的设计合成提供理论基础和实验依据。

相比于富勒烯和非富勒烯有机小分子体系的聚合物电池，全聚合物太阳能电池具有优异的热稳定性和良好的机械稳定性。本项目本以p型共轭聚合物给体和n型共轭聚合物受体共混制备全聚合物太阳能电池，并系统研究了器件的热稳定性；制备了高效全聚合物太阳能电池，并同时探究了大面积器件的光伏性能，取得的主要研究成果如下：1)以氟取代的宽带隙聚合物给体材料PFBZ和窄带隙聚合3)物受体材料N2200为活性层制备了光伏器件，最终优化器件获得高达8.1%的PCE，当热退火时间延长至180分钟或温度升高至250 oC时，电池效率仍接近原始效率的90%，该全聚体系具有良好的热稳定性。这表明基于PFBZ:N2200的全聚合物太阳能电池具有较高能量转化效率和优异的热稳定性，有利于实现有机太阳能电池的工业化应用。2)。使用具有自主知识产权的宽带隙聚合物PM6为给体，选用吸收更强的窄带隙聚合物PZ1为受体，共混制备本体异质结太阳能电池, 共混膜具有互补的吸收和能级，优化后混合膜具有良好的结晶性，较强的face-on排列以及合适的相分离，最终获得了效率达到11.2%,并且该电池在氮气保护的手套箱中不避光放置80天，仍然保持90%以上的效率。同时，我们制备了大面积和不同膜厚的all-PSCs，在面积为1.1 cm2时仍然具备高的能量转化效率9.2%，活性层厚度为205 nm时能量转化效率还能达到8.2%。这些结果表明该全聚体系适用于卷对卷的加工方式。3) 采用三元无规共聚策略，将噻唑并[5,4-d]噻唑（TTz）单元作为第三组分引入到PM6主链中，设计合成一系列新型聚合物给体材料PM1，PM2和PBFTz。系统研究了TTz单元的含量变化对聚合物的吸收光谱、分子能级、聚集特性以及光伏性能的影响。当TTz单元的含量占比为20%时，材料的本征性能和共混形貌得到协同优化。基于PM1:Y6的器件可以获得高达17.6%的光伏效率，实现了器件三个重要光伏参数和PCE的进一步提升。将PM1应用于全聚合物太阳能电池体系,最终获得了12.5%的能量转化效率.同时，该材料具有非常优异的批次重复性，展示了很好的应用前景。. 最终圆满完成全聚合物太阳能电池PCE超过10%的目标，并考察聚合物结构与性能之间关系，为全聚合物太阳电池中聚合物给体材料的设计合成提供理论基础和实验依据。发表SCI论文60篇，申请专利8项，其中授权2项。