聚合物光伏材料结构与性能关系的研究及高性能太阳电池的制备探索

Recently, researches on polymer solar cells have been progressed rapidly. The efficiency of polymer solar cells has been increased from less than 1% in 1990s to today''s efficiency over 10%. Regardless the great achievements of polymer solar cells, there are still some bottlenecks which become barriers for the further development of this field. For example, (1) the structure-property relationship of polymer photovoltaic materials is still unclear, because polymer photovoltaic materials are always examined by using their thin film devices, in which there are full of grain boundaries, traps and defects, so that the intrinsic properties of the polymer photovoltaic materials remain unclear, and there are still absent general rules to design and synthesize high efficiency polymer photovoltaic materials; (2) the ways to get high efficiency, such as controllable improving excitons generation, diffusion and dissociation, as well as the free carriers dissufion and collection, need further examination, requiring us to cooperate new ideas for device design and integrated; (3) the stability of polymer solar cells remains a challenging topic in this field. The degradation of polymer solar cells is mainly due to the degradation of polymers themselves, the blocking of the conducting channels for excitons and free carriers, and the degradation of the interfaces for excitons dissociation and free carriers collection. Therefore, the present project will focus on the challenges to carry out our study. It hopes that we can approach some general rules for the design of high performance novel polymer photovoltaic materials, for the fabrication of polymer solar cells with high efficiency and high stability, and make our contribution to the advancement of polymer solar cells into practical applications.

近年来，聚合物太阳电池的研究取得了很大的进展，但仍然处在发展的关键时期，许多基本的科学问题并不清楚、有待突破。本申请计划针对聚合物太阳电池面临的一些关键科学问题开展研究：(1) 研究聚合物光伏材料结构与性能的关系，从材料基因学的角度分析获得高性能光伏材料的途径，形成规律性的认识，为进一步设计合成高性能光伏材料提供实验依据；2) 分析高效太阳能电池的构筑途径，通过引入新的概念、新的器件设计方法和思路，提高太阳电池中激子的产生、传输和分离效率，提高自由电荷的传输和收集效率；(3) 探索高稳定性聚合物太阳电池的构筑方法，重点分析如何保障聚合物太阳电池中激子和自由电荷的高效传输通道，避免激子高效分离和电荷高效收集的表界面退化等。希望通过本项目的实施，解决一些聚合物太阳电池研究中面临的关键科学问题，为高效、高稳定性聚合物太阳电池的研究提供一些新的思想，推动聚合物太阳电池的发展。

由于其具有低成本、质轻、可卷对卷制备等优点，基于体异质结结构的聚合物太阳电池近年来引起了人们的广泛关注。聚合物太阳电池得到了快速发展，其单结电池的能量转换效率达到了11%以上，叠层电池的能量转换效率超过了12%。 在本项目中，我们致力于研究聚合物光伏材料结构与性能关系的研究以及探索高性能太阳电池的制备。我们在以下几个方面取得了突破性的进展，最高效率达到了国际先进水平。（1）我们设计合成了一系列的聚合物给体材料，用其中一些材料制备的聚合物光伏电池的效率达到了11%以上；（2）我们首次采用商用的聚丙烯成核剂代替1,8-二碘辛烷作为添加剂，制备了聚合物太阳电池。相比于DIO，聚丙烯成核剂可以更好的调节活性层的形貌和纳米相分离结构，获得了更高的能量转换效率；（3）我们发展一种制备高效率三元聚合物太阳电池的方法，使得电池的效率与相应二元电池相比获得了大幅度的提高（35-40%）。采用非富勒烯受体ITIC可以大幅度拓宽活性层的吸光范围，而采用PC71BM作为第二受体可以调节活性层的形貌和纳米相分离结构；（4）我们采用PCBA作为致密二氧化钛的修饰层（电子传输层），可以方便的使用溶液法制备钙钛矿电池的活性层而不破坏电子传输层，制备的电池的能量转换效率达到了17.6%；（5）我们设计合成了一种基于DDP电子受体单元的三元共聚物给体材料，以其为给体、PC71BM为受体制备的电池的效率达到了9.2%，是基于DPP聚合物最高的效率。我们系统研究了共轭聚合物材料结构与性能的关系，获得了在共轭高分子体系中沿共轭高分子链方向具有高效电荷传输特性的规律性认识，为进一步高性能共轭高分子材料的设计合成及高性能器件构筑提供了有力依据。在本项目支持下，我们发表了54篇备注项目号的研究论文，申请了8篇中国发明专利。