非富勒烯有机太阳能电池光伏性能调控机理

The efficiency of organic solar cells based on non fullerene acceptor materials has been developed rapidly, which is up to > 12%. In the process of exploring new materials system, the internal mechanism of the devices should be strengthened. Based on the basic understanding of the physical processes and the electronic energy level structure of excited states, this proposal will focus on the mechanism of the non-fullerene photovoltaic devices. We will systematically investigate the long-distance exciton migration, high energy exciton dissociation, phase purity and carrier dynamics, carrier transport and collection process, with emphasis on the control of excited state energy conversion and electron transition processes. The key factors for the reduction of the energy loss in the process of photoelectric conversion will be explored. We hope to innovate the idea of structure design of material and device through in-depth study on the mechanism,and strive to achieve the original innovation in several aspects including the control of molecular aggregation structure, high-energy excited state, interfacial electronic process as well.

基于非富勒烯电子受体材料的有机太阳能电池效率发展迅速，已经超过12%；在不断探索新材料体系的同时，深入研究器件内部机制亟待加强。本项目基于对激发态光物理过程与电子能级结构方面的基本认识，提出非富勒烯光伏器件中若干工作机制研究课题。希望系统研究激子的远距离迁移、高能激子解离、相纯度与载流子动力学、载流子传输与收集等基本过程，着重研究激发态能量与电子过程调控，探索降低光电转换过程中引起能量损失的关键因素。希望通过机制方面的深入研究，创新材料设计思路与器件结构，力争在聚集结构调控、高能激子态调控、界面电子过程调控等几个方面取得国际领先的原创成果。

基于非富勒烯受体材料的有机光伏电池效率已超过19%，如果要实现进一步突破，需要材料合成和器件物理的协同发展。本项目通过设计合成特定的的非富勒烯受体材料，着重研究受体材料分子堆积结构与载流子迁移率以及激子迁移性质之间的关系，深入探索分子结构和器件性能之间的构效关系。在非富勒烯受体合成、聚集结构、激子迁移性能、界面电子过程和器件性能等几个方面开展了系统创新研究，完成了项目预定的内容和与目标，并取得了系列重要的研究成果。主要包括以下几个方面：1）发现了非富勒烯受体材料通过氯取代协同构筑的三维网络结构，为设计合成高迁移率和长激子扩散的材料体系提供了指导依据，并在此基础上发展了准平面异质结有机太阳电池体系；2）通过理论与实验相结合的方法研究了非富勒烯多晶薄膜激子远距离迁移及各向异性的特征，揭示了激子迁移驱动力主要来源于分子间库仑耦合强度的本质特征；3）研究了具有光电导特征、自由基特征及J-聚集吸光特性的电子传输材料，有效改善了器件活性层与阴极之间的接触，提高了器件效率及稳定性；4）发现了电荷累积效应引起的局域变化态会导致材料非平衡态能级偏移，通过对分子结构的精细调整可以提高带电态的稳定性。本项目的实施对未来非富勒烯受体分子的设计以及如何优化有机光伏电池的综合性能提供了新的思路。