全共轭聚合物共混薄膜分子Face-on/Face-on取向调控

Weak absorption ability and energetic tenability which are two fatal weaknesses in polymer/fullerene solar cells are effectively solved by all-polymer solar cells. As well known, fullerene is isotropic and could delocalize electrons in the three-dimensional directions, while conjugated polymer is anisotropic, as a result, its molecular orientation influenced the photophysical processes. Both the donor and acceptor adopt face-on orientation is favorable for the separation of CT state, charge transport, leading to reduced geminate recombination, charge recombination and energy loss. Therefore, our work will focus on the following aspects in this project: (1) Adjusting molecular orientation by controlling the heterogeneous nucleation and extension growth of conjugated polymer. (2) Combining solid-liquid phase separation and film-forming kinetics to promote the face-on orientation for polymers in blended system. (3) Based on molecular orientation control, illuminating the influence of the molecular orientation on geminate recombination, charge recombination and energy loss, elucidating the relationship between molecular orientation and photophysical processes in all-polymer solar cells.

全共轭聚合物共混体系可有效解决聚合物/富勒烯共混体系光吸收能力差及LUMO能级高等问题，是国内外关注热点。不同于富勒烯分子光电特性为各向同性，共轭聚合物为各向异性分子，其光电性质依赖于分子取向。全聚合物共混体系给受体分子均为face-on取向时，利于电荷转移态分离及载流子传输，可降低单分子复合、双分子复合几率及能量损失。然而，多数共混体系中给受体分子为face-on/edge-on或edge-on/edge-on取向。本项目围绕如何使给受体转变为face-on/face-on取向这一问题，开展三方面研究：（1）控制共轭聚合物结晶的成核方式，利用外延结晶、受限结晶等原理实现分子取向控制；（2）控制溶液中共轭聚合物共混体系固-液相分离类型，协同控制成膜动力学，实现分子取向控制；（3）揭示给受体取向方式对单分子复合、双分子复合及能量损失等影响，阐明分子取向与光物理过程间联系。

全共轭聚合物共混体系可有效解决聚合物/富勒烯共混体系光吸收能力差及LUMO能级高等问题，是国内外关注热点。不同于富勒烯分子光电特性为各向同性，共轭聚合物为各向异性分子，其光电性质依赖于分子取向。全聚合物共混体系给受体分子均为face-on取向时，利于电荷转移态分离及载流子传输，可降低单分子复合、双分子复合几率及能量损失。然而，多数共混体系中给受体分子为face-on/edge-on或edge-on/edge-on取向。促进有机光伏电池活性层中给受体采取face-on取向是进一步提高器件性能的有效途径。虽然通过分子剪裁设计可实现分子取向的变化，然而其手段繁琐，且增加分子量、降低分子规整度及增加侧链堆积位阻等手段会使分子结晶能力下降，导致共混体系中难以形成载流子连续通路及高纯度相区。.针对以上问题，本项目通过将结晶热力学与动力学因素相结合的策略，实现了分子取向的精确调控，具体研究内容如下：（1）控制共轭聚合物结晶的成核方式，利用外延结晶、受限结晶等原理控制分子取向；（2）调控溶液中共轭聚合物共混体系固-液相分离类型，协同控制成膜动力学，控制分子取向；（3）研究给受体取向方式对单分子复合、双分子复合及能量损失等影响，阐明分子取向与光物理过程间联系。具体成果如下：.（1）揭示共轭聚合物分子量影响分子取向的本质，建立了共轭聚合物结晶微观机制与凝聚态结构间的联系；.（2）从共轭聚合物结晶热力学及结晶动力学过程出发，将外延及受限结晶原理与分子扩散相结合，实现分子取向精准控制；.（3）建立不同共混体系给受体相对取向与器件光物理过程间关系。.通过总结上述规律，获取了影响分子取向的关键性物理参数，为构筑全聚合物太阳能电池活性层多层次结构奠定基础；建立了分子取向-光物理过程-器件性能间的联系。本项目取得的研究成果可为利用大面积溶液加工工艺制备高性能厚膜光伏电池提供理论及技术支持，对本领域发展具有推动意义和引领作用。