物理化学学报 >> 2018, Vol. 34 >> Issue (4): 391-406.doi: 10.3866/PKU.WHXB201709131

所属专题: 非富勒烯有机太阳能电池

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基于苝二酰亚胺类非富勒烯受体共混体系凝聚态结构调控

韩杰1,梁秋菊2,3,曲轶1,4,*(),刘剑刚2,*(),韩艳春2,*()   

  1. 1 长春理工大学,高功率半导体激光国家重点实验室,长春130022
    2 中国科学院长春应用化学研究所,高分子物理与化学国家重点实验室,长春130022
    3 中国科学院大学,北京100049
    4 海南师范大学物理与电子工程学院,海口571158
  • 收稿日期:2017-08-11 发布日期:2018-01-02
  • 通讯作者: 曲轶,刘剑刚,韩艳春 E-mail:2686566673@qq.com;niitawh@ciac.ac.cn;ychan@ciac.ac.cn
  • 作者简介:曲轶,1969年生。1991年本科毕业于长春光学精密机械学院应用光学专业;2002年毕业于吉林大学微电子学与固体电子学专业,获博士学位;2003年至2005年在新加坡南洋理工大学材料工程学院做博士后工作。现任长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室副主任,博士生导师。主要从事半导体光电子学方面的研究|刘剑刚,1982年生。2006年毕业于吉林大学化学专业;2011年毕业于中国科学院长春应用化学研究所高分子化学与物理专业,获得博士学位。现任中国科学院长春应用化学研究所副研究员,主要从事聚合物太阳能电池活性层凝聚态结构调控方面的研究|韩艳春,1966年生。1990年本科毕业于中国科学技术大学高分子物理专业;1995年毕业于中国科学院长春应用化学研究所高分子化学与物理专业,获博士学位;1996年至1998年在德国凯泽斯劳腾大学为德国洪堡基金会资助的Research Fellow;1999年至2000年在美国密执安大学做博士后工作。现任中国科学院长春应用化学研究所研究员,博士生导师。主要从事高分子薄膜表面形态结构和功能构效关系方面的研究
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(51573185);国家自然科学基金(21334006);国家自然科学基金(21474113);中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB12020300)

Morphology Control of Non-fullerene Blend Systems Based on Perylene

Jie HAN1,Qiuju LIANG2,3,Yi QU1,4,*(),Jiangang LIU2,*(),Yanchun HAN2,*()   

  1. 1 State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser; Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, P. R. China
    2 State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry; Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, P. R. China
    3 University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
    4 College of Physics & Electronic Engineering; Hainan Normal University, Haikou 571158, P. R. China
  • Received:2017-08-11 Published:2018-01-02
  • Contact: Yi QU,Jiangang LIU,Yanchun HAN E-mail:2686566673@qq.com;niitawh@ciac.ac.cn;ychan@ciac.ac.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China(51573185);the National Natural Science Foundation of China(21334006);the National Natural Science Foundation of China(21474113);the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDB12020300)

摘要:

非富勒烯太阳能电池具有给受体能级可调、吸收范围宽及可溶液加工等优势,已经成为太阳能电池领域发展趋势。在高性能材料开发及器件结构优化的推动下,能量转换效率已经突破11%。其中,苝二酰亚胺(PDI)类分子价格低廉且具有良好的稳定性及较高的电子迁移率,已经发展成为重要的非富勒烯受体材料。然而,PDI类材料刚性稠环结构使得分子间具有强烈的π-π相互作用(受体-受体分子间及给体-受体分子间),导致共混体系相分离尺寸可控性差,给受体分子间共混程度难于调控,从而发生严重的成对以及非成对电荷复合。本文从分子间作用力入手(溶剂-溶质、给体-受体分子间作用力)详述了非富勒烯共混体系相分离结构、相区尺寸及共混相含量调节的相关原理及方法。研究表明基于PDI共混体系,固-液相分离及分子扩散能力是决定相分离结构的本质因素,通过调控给受体比例及热退火温度实现了孤岛及互穿网络结构的构筑。同时,通过平衡受体分子间π-π作用及给受体间电荷转移,实现了低相容性及高相容性共混体系相区尺寸的可控调节。在此基础上,利用添加剂手段通过调节溶剂与溶质分子间的溶度参数差值,实现了薄膜内共混相的可控调节,并针对具有不同相容性共混体系给出了添加剂的选择原则。

关键词: 太阳能电池, 非富勒烯, 形貌调控, 相分离结构, 相区尺寸, 共混相

Abstract:

In recent years, the development of perylene diimide derivative (PDI)-based non-fullerene organic solar cells has been extensively studied. These solar cells exhibit unique advantages such as complementary light absorption, tunable energy levels, excellent electron transport properties, and relatively low cost. However, the strong π-π stacking between the PDI molecules tends to induce an uncontrolled phase separation structure, large domain size, and an unmanageable mixed phase, leading to severe geminate and non-geminate recombination and restriction of the final power conversion efficiency of the non-fullerene-based systems. In this work, it was found that one of the most important parameters that helps regulate phase structure is the molecular diffusion rate. By tuning the thermal annealing and liquid-solid phase separation and blend ratio, the phase-separated structure could be adjusted. Further, the domain size of blend systems with different compatibilities was regulated by balancing the π-π and charge transfer interactions. In addition, the amount of the intermixed phase was controlled by tuning the solubility parameter difference (Δδ) between the solvent and the solute.

Key words: Solar cells, Nonfullerene, Morphology control, Phase separation, Domain size, Intermixed phase

MSC2000: 

  • O649