高效可溶液加工卟啉小分子有機太陽電池的研究

《高效可溶液加工卟啉小分子有機太陽電池的研究》是依託華南理工大學，由彭小彬擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高效可溶液加工卟啉小分子有機太陽電池的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：彭小彬
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

溶液加工有機太陽電池(OSCs)具有質輕、適應性好和可印刷等優點，其研究是近幾年來的國際熱點之一。與聚合物相比，有機小分子具有確定的分子式和分子量、更容易被純化和各批次的差異小等優點，因此在溶液加工OSCs套用方面更具潛力。卟啉的化學結構與葉綠素相似，但目前報導的基於卟啉及其衍生物OSCs的能量轉換效率普遍偏低。本項目分析了影響基於卟啉活性材料的太陽電池性能的因素，提出了設計和合成共軛給-受體卟啉分子體系以提高分子內電荷遷移的分子設計思路，再通過改善薄膜狀態下分子之間的自組裝及形貌以提高分子間的電荷傳輸、通過調控材料對光的吸收以及研究不同的金屬離子對卟啉配合物的光電性能影響等，進一步提高材料的光電性能，揭示高效卟啉小分子溶液加工OSCs材料的分子設計規律；最後通過對光伏器件進行最佳化，獲得高能量轉換效率的小分子OSCs材料和器件，為OSCs的基礎研究和未來的套用研究做出貢獻。

結題摘要

人類對太陽能這種清潔能源的開發利用日益迫切，有機太陽電池（OSCs）由於有機材料的化學結構幾乎無窮、器件質輕、適應性好、可溶液加工和能製備大面積柔性器件等優點而倍受人們的關注，其研究是國際上近年來發展最快和最具活力的研究領域之一。與聚合物相比，有機小分子具有確定的分子式和分子量、更容易被純化和各批次的差異小等優點，因此在溶液加工OSCs套用方面具有很大的潛力。 卟啉的化學結構與葉綠素相似，但以前報導的基於卟啉及其衍生物OSCs的能量轉換效率偏低。為了提高這一類太陽電池器件的效率，本項目從材料的設計合成以及器件的表征和最佳化兩方面全面開展研究工作。通過對分子側鏈的調控，獲得了能量損失只有0.59V但是能量轉換效率達到8.08%的太陽電池。創新性地使用吡啶添加劑製備太陽電池，使用雙添加劑調控活性層薄膜形貌，不僅將電池的光電轉換效率提高到了9.06 %，而且通過系統的研究發現：吡啶添加劑可以提高卟啉給體材料和富勒烯衍生物受體材料的互溶程度，為進一步器件與形貌最佳化提供了巨大空間；通過對共軛主鏈的調控，合成了新型的雙卟啉給體材料，相關材料的二元太陽電池器件的能量轉換效率超過10%；由於我們合成的單卟啉和雙卟啉電池給體材料具有強近紅外吸收，相關太陽電池在近紅外區具有高外量子效率等優勢，我們系統進行了三元電池和疊層電池的研製。卟啉/聚合物PTB7/PCBM以及卟啉/小分子/PCBM兩種三元電池的能量轉換效率都超過11%。使用卟啉小分子與其它小分子或聚合物材料構建的疊層電池都表現出高的PCE，其中最高的PCE達12.50%，這是論文發表時體異質結有機太陽電池國際最高效率。 我們的研究將基於卟啉類材料的太陽電池推進到了一個新高度，不僅豐富了有機太陽電池材料體系，而且取得了國際領先的能量轉換效率，國際上多個研究小組跟進了我們的研究工作。另外，由於我們設計合成的卟啉類光電材料具有高的摩爾消光係數，具有高遷移率，具有很好的近紅外吸收，所以在有機近紅外光研究領域也可能具有重要套用前景。