基於三元共混體系的小分子有機太陽能電池性能研究

《基於三元共混體系的小分子有機太陽能電池性能研究》是依託北京航空航天大學，由孫艷明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於三元共混體系的小分子有機太陽能電池性能研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：孫艷明
• 項目類別：面上項目

項目摘要

由於自身的特性，有機半導體材料的光譜吸收範圍比較窄，限制了有機太陽能電池效率的進一步提高。通過分子設計與合成，可以將材料的光譜回響範圍拓寬至近紅外區域，但是基於這類材料的太陽能電池往往具有較低的開路電壓，導致器件整體性能不高。疊層結構可以增加活性層對太陽光的吸收，提高電池的轉換效率。但是複雜的器件結構和製備工藝，給疊層太陽能電池的製備帶來很大困難。三元共混體系有機太陽能電池,通過利用兩種不同帶隙寬度的給體材料（分別為主體給體材料和近紅外敏化染料材料），大幅度增加了其對太陽光的利用率。此外，這種器件結構比較簡單，製備相對容易。由於對該類電池的工作原理認識不深，目前它的轉換效率還比較低。本項目擬將選擇一些高性能可溶液法加工的小分子材料，來製備三元共混體系小分子有機太陽能電池。通過對活性層聚集態結構和性能關係以及激子的產生和分離，載流子傳輸和複合等基礎問題的研究，加深對這類電池工作機理的認識。

結題摘要

有機太陽能電池因其成本低、製作容易以及可製成柔性大面積器件等優點，已經成為太陽能電池中最熱門的研究領域之一。有機半導體材料的光吸收通常是比較窄的，這限制了對太陽光的捕獲。為了解決這個問題，三元有機太陽能電池採用多種光吸收互補的材料來拓寬光譜範圍，進而提高短路電流。但是對這種新型電池的工作機理方面的認識還比較匱乏，材料結構和薄膜形貌調控以及激子和電荷的產生傳輸和複合等基礎問題的認識還存在不足，目前該類器件的轉換效率還相對較低。本項目擬設計合成一系列高性能小分子給受體材料，通過合理的搭配，製備高性能三元有機太陽能電池。系統研究三元體系中活性層聚集態結構和性能關係以及形貌的變化,研究太陽能電池器件中激子的產生和分離，載流子傳輸和複合等基礎問題，加深對三元共混體系太陽能電池工作機制的認識。通過引入雜原子（如：鍺和硒等）到給受體單元中，或者拓寬給受體單元的共軛鏈長度，以及末端基團中引入氟、氯原子，我們構築了一些列新型小分子給體和非富勒烯受體單元；通過改變苯並噻吩小分子單元側鏈取代基碳原子個數，和苯並二噻吩二酮受體共聚，合成了幾種高性能聚合物給體材料，該類聚合物材料薄膜狀態下易自組裝成聚合物纖維結構，有利於電荷傳輸，載流子複合較弱，首次取得了80%以上的填充因子，是有機光伏領域的重大突破；利用材料的纖維聚集狀態調控了三元體系活性層形貌和相分離，實現了高性能三元有機太陽能電池的製備，效率超過13%，最高填充因子達到77%；系統研究了三元電池的工作機理：共相體系和平行傳輸模式有利於載流子傳輸，獲得較高光伏性能。此外我們還製備了高環境穩定性和半透明器件。上述工作連續發表在JACS，Adv. Mater. Adv. Energy Mater.和Chem. Mater等國際著名雜誌上。我們系統研究了小分子材料的合成、形貌的調控、載流子的傳輸和複合以及器件的穩定性，製備了效率13%以上的太陽能電池器件，加深了對三元體系太陽能電池工作機理的認識， 推動了有機太陽能電池的進一步產業化。