有机光伏活性层形貌和电荷传输性能的调控

摘要

近几十年聚合物太阳能电池(PSCs)由于其质量轻，可溶液加工，成本低，可大面积制备等优点而受到人们广泛关注。本文合成了三种新的小分子受体材料（ITIC-SC6、ITIC-SC8、ITIC-SC2C4）并系统地探讨了侧链对太阳能电池性能的影响。另外，为了拓宽有机聚合物太阳能电池活性层的光谱吸收范围，提升其光电转换效率，制备了三元共混太阳能电池器件，并对其进行了系统研究。主要结果如下： 1. 在有机太阳能电池中非富勒烯受体（non-fullerene acceptors, NFAs）相对于富勒烯受体具有其自身的优势。NFA分子包括一个平面的主干和外平面的侧链。前者可以形成有效的链间π?π堆叠，提高分子间的电荷传输；而后者可以提高溶解度，并抑制小分子间强的聚集。我们合成了三种不同的 NFAs，ITIC-SC6、ITIC-SC8和ITIC-SC2C6，制备了相应的太阳能电池并进行测试。结果表明：侧链变化极大影响给:受体混合膜的电荷分离、电荷迁移率及薄膜形貌。其中具有四分支侧链的 ITIC-SC2C6呈现较好的溶解性，且混合膜在干燥过程中聚合物施主形成很好的纳米纤维状结构。PBDB-ST:ITIC-SC2C6基器件电荷迁移率较高，激子分离更有效，相应太阳能电池短路电流为 15.81 mA cm-2，开路电压为 0.92 V，填充因子为 0.63，实现了 9.16%的高功率转换效率。这些结果表明，侧链工程是调节混合膜形貌并提高聚合物太阳能电池光电转换效率的有效途径。 2. 为了改善有机太阳能电池活性层的薄膜形貌，采用三元共混的方法，引入具有良好的电子传递能力和弱结晶度的苯基 C71-丁酸甲酯（PC71BM）作为第三种组分。一种融合的五元环电子受体（IDT-2O），它与四个烷基侧链连接在平面的核心上，具有很强的结晶度。如果这种化合物的结晶性可以被抑制，自然可以实现纳米级的相分离，那么就可以期待良好的光电性能，因为紧密排列的分子有利于电荷传输。结果，三元混合器件最优比例为 PBDB-T:IDT-2O:PC71BM=1:0.8:0.2的器件获得了更高更平衡的空穴、电子迁移率，迁移率分别为 2.21×10-4和1.79× 10-4 cm2V-1s-1。这种三元器件获得了最大的 PCE为 10.67%，这是单节活性层聚合物太阳能电池的最高报告值，器件中采用了少稠环（<7环）的电子受体，器件没有任何添加剂和退火处理。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内研究状况

1.3聚合物太阳能电池简介

1.4聚合物太阳能电池材料的设计策略

1.5聚合物太阳能电池活性层的形貌调控

1.6界面修饰层

1.7影响太阳能电池的稳定性的因素

1.8提高稳定的方法

1.9 本文研究内容、目的和意义

第2章 不同侧链非富勒烯受体对薄膜形貌及太阳能电池性能的影响

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4本章小结

第3章 通过三元共混策略优化活性层的形貌和改善光伏性能

3.1引言

3.2实验部分

3.3实验结果与讨论

3.4本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A

附录B攻读学位期间所发表的学术论文目录