可溶性有机光伏小分子的设计合成、垂直相形貌与反向器件性能的研究

On contrast to conventional devices, the inverted devices based on organic solar cells have the potential to get a more stable device performance. However, as for the solution-processabe small molecular inverted devices, because of the losses of open circuit voltage (Voc) and fill factor (FF), the power conversion efficiency (PCE) is low. Previous research achievements indicated vertical phase separation is the key factor to enhance the inverted device performance. Hence, in this project, we would add vertical phase control into traditional molecular design, through modifying the donor units, selecting and improving the end-capped acceptors to regulate and balance the molecular surface tension and its compatibility with PCBM. By exploring the relationship of molecular structure, vertical phase morphology and device performance, we are expected to design materials to gain high PCE based on inverted device and put forward molecular design principles and methods to adjust vertical phase morphology. Meanwhile, we also profoundly study the influence limits of vertical phase separation on device performance and the key mechanism of Voc and FF loss, which will lay foundation for the further breakthrough of efficiency in organic solar cells.

相对于有机太阳能电池的传统正向器件结构，反向结构有潜力获得更稳定和更高的器件。但目前基于可溶性有机小分子的反向器件，研究较少，且存在开路电压和填充因子损失的问题。前期研究表明给体材料在上表面富集的垂直相分布是提升反向器件性能的关键因素。因此，本项目拟在传统光伏材料的设计上，通过引进低表面张力基团和调整分子极性，调控表面张力以及给体材料与受体材料之间的相容性，从而实现对垂直相分布的优化。通过分子结构、垂直相形貌与器件性能之间关系的研究，为高效给体材料的设计提供指导，并提出分子结构调控垂直相形貌的原则与方法。同时，本项目还将针对垂直相形貌对器件性能的影响极限、以及开路电压与填充因子损失的关键机理展开深入研究，为有机太阳能电池效率的进一步突破奠定基础。

活性层形貌以及其垂直相分布是影响有机太阳能电池正向和反向器件性能的重要因素。如何通过分子设计和器件优化手段调控活性层形貌（水平，垂直和界面）是进一步提高器件性能的关键问题，其次针对正向器件和反向器件性能差异性的工作机制包括开路电压损失和填充因子损失等需要进一步阐明。本项目基于可溶性有机小分子太阳能电池，在给体小分子设计中引进低表面张力基团和调整分子极性进行表面张力调控，实现给体材料和受体材料相容性以及垂直相分布的优化；在器件手段方面，通过改变基底甩膜温度实现垂直相分布有序性的调控。本项目重点完成如下内容：发展了相形貌和垂直相分布的分子设计和器件优化的调控方法，并将其延伸应用到全小分子太阳能电池体系；构建了分子结构、活性层相形貌、垂直相分布和器件性能的关系；阐明了垂直相分布对正反向器件开路电压的影响机制，以及界面形貌的有序性对反向器件开路电压的影响机制。本研究为进一步有效调控活性层形貌/垂直相形貌以及界面形貌提供理论指导，同时也为高效率光伏材料的设计提供了科学依据。

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