卤键诱导的自组装结构应用于有机太阳能电池的研究

Active layer morphology is of key importance in organic solar cells which require bi-continuous nanoscale domains of donor/acceptor and inter-penetrating networks for charge separation and transport. This project based on the principles of molecular self-assembly aims to develop halogen bonded donor/acceptor materials to control active layer morphology and investigate the mechanism. The relationship between halogen bond structure, active layer morphology and solar cell performances will be studied to build a theoretical model. Donor and acceptor materials with halogen bond moieties will be developed and self-assembled. The self-assembled nanostructure thus formed will be applied in organic solar cell active layer. The solar cell performances and stability will be improved by tuning the halogen bond groups, screening the donor/acceptor materials and optimizing the solar cell structures. The active layer morphology improvement in the presence of halogen bond and the solar cell power conversion efficiencies increase will be studied in detail to understand the relationship between halogen bond and solar cell performance. The halogen bond induced self-assembled nanostructures developed in the project and its application in solar cells will enrich the field of supramolecular chemistry and provide guidance for researchers working in the area of organic electronics.

有机太阳能电池活性层的微观形貌是影响其效率和稳定性的关键因素。活性层中电子给体/电子受体呈现的纳米尺度的相分离，以及互穿网络结构有利于电荷的分离和传输。本项目基于分子自组装的基本原理，提出卤键诱导自组装结构调控活性层微观形貌的新方法，揭示卤键在活性层中的作用机制，探明卤键对太阳能电池性能的影响规律，建立卤键结构-活性层形貌-电池性能的关系模型。通过开发新型的含有卤键单元的电子给体材料和电子受体材料，构建有序自组装结构，并将这些自组装结构应用于有机太阳能电池，通过卤键成键基团的调控，活性层电子给体材料和受体材料的筛选，以及太阳能电池结构的优化，开发高性能的有机太阳能电池。本项目发展的卤键诱导自组装结构调控活性层微观形貌的方法，对于丰富超分子自组装化学，开发新型的有机太阳能电池材料和器件都具有重要意义。

有机太阳能电池活性层的微观形貌是影响其效率和稳定性的关键因素。活性层中电子给体/电子受体材料呈现的纳米尺度的相分离，以及互穿网络结构有利于电荷的分离和传输。本项目基于分子自组装的基本原理，提出卤键诱导自组装结构调控活性层微观形貌的新方法，合成了含有卤键受体的有机太阳能电池材料BTR-Cl等，通过引入卤键给体1,2,4,5-四氟二碘苯、1,4-二碘苯、1,3-二碘苯等，诱导有机太阳能电池材料在活性层中的自组装。通过红外、核磁、差示扫描量热、紫外等确证卤键的形成，通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、透射电镜等研究活性层形貌变化，获得了卤键诱导的纳米尺度的活性层相分离和电子给体、电子受体的互穿网络结构，揭示了卤键在活性层中的作用机制，初步探明了卤键对太阳能电池性能的影响规律。项目开发了新型的有机太阳能电池给体材料，获得了光电转换效率超过15%的卤键诱导的小分子有机太阳能电池，稳定性方面一个月内电池效率衰减小于10%。相关研究成果丰富了卤键的应用领域，优化了有机太阳能电池活性层形貌调控方法，实现了更加高效、更加稳定的卤键诱导的有机太阳能电池，促进超分子化学与有机太阳能电池领域的交叉融合。