高稳定性晶态结构有机太阳能电池的制备和性能研究

Bulk-heterojunction solar cells are the mainstream of organic solar cells. However, the inherently disordered structure of the donor/acceptor blends can lead to both the increased recombination between opposite-charged carriers and the instability of morphology, which limits the efficiency enhancement and stability of organic solar cells. Therefore, in order to obtain higher power conversion efficiency and better stability in organic solar cells, it is necessary to develop a new device structure to overcome the limitation of bulk-heterojunction device. In this project, we will design a new device structure with high stability for organic solar cells- crystalline organic solar cells. We will use crystalline structure by self-assembled porphyrin donor and fullerene acceptor as the active layer in organic solar cells, investigate in-depth the relationship between functional uint, aggregation structure of crystalline active layer and photoelectric conversion efficiency, elucidate the structure-property relationship between micro-/nano-aggregate structure of crystalline active layer and device performance, study the long-term stability of crystalline organic solar cells, and provide a guideline for designing novel efficient and stable photovoltaic materials and devices.

本体异质结器件是有机太阳能电池研究的主流。但是，由于本体异质结中给体/受体结构的无序导致的载流子较大的复合以及内在的形貌不稳定性问题，限制了有机太阳能电池效率和稳定性的提高。因此，为了获得更高的光电转换效率和更好的稳定性，必须突破本体异质结的限制，开发新型器件结构。在本项目中，我们拟开发一种高稳定性的新型的器件结构，即晶态结构有机太阳能电池。我们拟通过卟啉给体和富勒烯受体单元的有序组装形成晶态结构，并将该结构作为有机太阳能电池的活性层以制备晶态结构有机太阳能电池；深入研究晶态活性层材料的功能基元、聚集态结构与光电转换性能的关系，揭示晶态活性层中微观聚集态结构和光电转换性能之间的构效关系规律，并研究晶态结构太阳能电池的长期稳定性问题，为新型高效、稳定的光电转换材料和器件的开发提供新思路。

有机太阳能电池是新能源领域的一个研究热点。传统的有机太阳能电池采用本体异质结器件结构，由于本体异质结中给体/受体结构的无序导致的载流子较大的复合以及内在的形貌不稳定性问题，限制了有机太阳能电池效率和稳定性的提高。本项目主要针对以上问题，开发一种具有高稳定性的晶态结构有机太阳能电池。在本项目执行期间，我们设计合成了由卟啉给体和富勒烯受体单元有序组装形成的晶态的富勒烯-卟啉复合物，构筑了基于富勒烯-卟啉复合物活性层的晶态结构器件，并研究了晶态器件的光伏性能和稳定性问题。构筑的晶态结构器件具有较高的热稳定性，初步验证了高稳定性晶态结构器件的可行性。此外，我们研究电子传输层材料、空穴传输层材料和晶态活性层材料对晶态结构器件光伏性能和光照稳定性的影响。研究结果发现，晶态结构电池的光伏性能主要依赖于晶态活性层薄膜的结晶性和薄膜形貌，并且受到电子和空穴传输层材料的电化学性能、电荷传输性能和成膜性能等内在性能的影响。在晶态结构器件的光照稳定性研究方面，我们开发了由铜掺杂的氧化镍(Cu: NiOx)作为空穴传输层材料，由富勒烯衍生物PC61BM和氧化铈(CeOx)组成的双电子传输层PC61BM/CeOx作为电子传输层材料的性能优异的空穴和电子传输层材料组合，该材料组合产生协同作用，一起提高了器件的光照稳定性。项目的研究成果为具有高效率和高稳定性的太阳能电池的发展提供了重要的参考意义。

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