基于高空穴迁移率聚合物给体的厚膜型非富勒烯聚合物太阳电池光伏性能研究

By introducing different high-mobility polymer donors (including narrow-bandgap polymers PFBT-4T and PFBT-TT as well as medium-bandgap polymers PDTBT-3T and PDTBT-4T), and utilizing different nonfullerene molecule acceptors (including SF-PDI2 of PDI system as well as ITIC, IDIC, ITIC-Th, ITIC-M and m-ITIC of ITIC series), as well as using three kind of combination forms (including “single donor and single acceptor”, “double donors and single acceptor”, “single donor and double acceptors”), comprehensively constitute different active layer materials system and systematically construct nonfullerene polymer solar cells based on active layers with different film thicknesses. Through researching the effects of different active layer materials system characters (including absorption spectra, molecule energy levels and carrier mobility) and domains morphology control on device photovoltaic performance, reveal critical influencing mechanisms on photovoltaic performance of thick-film nonfullerene polymer solar cells, and realize high-efficiency thick-film nonfullerene polymer solar cells, which will provide important theory evidences and reference methods for future development of polymer solar cells.

通过引入不同的高空穴迁移率聚合物给体（包括窄带隙聚合物PFBT-4T、PFBT-TT和中等带隙聚合物PDTBT-3T、PDTBT-4T等），和使用不同的高性能非富勒烯小分子受体（包括PDI体系的SF-PDI2和ITIC系列的ITIC、IDIC、ITIC-Th、ITIC-M、m-ITIC等），以及采取三种组合形式（包括“单给体与单受体”、“双给体与单受体”、“单给体与双受体”的形式），全面组成不同的活性层材料体系，并系统构建基于不同膜厚活性层的非富勒烯聚合物太阳电池。通过研究不同活性层材料体系的性质（吸收光谱、能级匹配性、电子和空穴迁移率的大小及平衡性）以及活性层的相区形貌控制等与器件光伏性能的关系，揭示厚膜型非富勒烯聚合物太阳电池光伏性能的关键影响机制，并实现高效率厚膜型非富勒烯聚合物太阳电池，为聚合物太阳电池的未来发展提供重要的理论依据和参考方法。

近来，随着一系列高性能非富勒烯受体的开发，基于非富勒烯受体的聚合物太阳电池（即非富勒烯聚合物太阳电池）的效率得到快速提高。本项目旨在通过材料与器件工程发展面向印刷加工的高性能（厚膜型）非富勒烯聚合物太阳电池。.（1）采用高空穴迁移率聚合物给体FBT-4T与非富勒烯受体ITIC、IDIC组合，构筑具有不同膜厚活性层的高效率太阳电池。高空穴迁移率聚合物给体的强聚集性限制了其与非富勒烯受体的混溶性。经过详细的形貌调控，随着活性层膜厚从100 nm逐步增加到400 nm，器件效率先增加后减小，并在活性层膜厚为300 nm时，器件效率最高达到7.71%，显示出高空穴迁移率聚合物给体在高性能（厚膜型）非富勒烯聚合物太阳电池的应用潜力。.（2）开发了新型共轭聚合物给体PBDTS-TzBI和非富勒烯受体PTTIC、i-PTIC-F。PBDTS-TzBI与非富勒烯受体ITIC-Th等具有良好的相容性和匹配性，在常规100 nm膜厚活性层下，构筑了效率高达9.67%的无添加剂型太阳电池。与IDT基非富勒烯受体相比，PTTIC和i-PTIC-F具有更高的HOMO能级和更宽的吸收范围，并与聚合物给体PBDB-T具有良好的相容性和匹配性，在常规100 nm膜厚活性层下，构筑了效率为7.35%的无添加剂型太阳电池。新型聚合物给体PBDTS-TzBI和非富勒烯受体PTTIC、i-PTIC-F，将被用于改善高空穴迁移率聚合物给体与非富勒烯受体的相容性，并拓宽吸收范围，从而构筑高性能（厚膜型）三元非富勒烯聚合物太阳电池。.（3）开发了一种新型紫外光解法制备MoO3、WO3阳极界面层，这种制备工艺简单成本低、与批量生产和柔性衬底兼容，采用PBDB-T:ITIC活性层，构筑了效率高达9.27%的太阳电池，优于基于PEDOT:PSS的器件效率。此外，开发了新型可交联共轭聚合物PFOPy阴极界面层，交联后的PFOPy具有优秀的耐溶剂侵蚀性，有利于构筑不同膜厚的界面层。采用PM6:Y6活性层，基于交联的PFOPy阴极界面层的太阳电池获得了超过16%的优秀效率，并显示出优秀的环境稳定性。这些高性能阳极/阴极界面层将用于构筑高效稳定（厚膜型）非富勒烯聚合物太阳电池。