聚芴型共轭聚电解质作为电子传输层应用于太阳能电池

摘要

相比于无机硅太阳能电池，聚合物太阳能电池(PSCs)具有重量轻、价格低、便于携带，柔性好等优点而被国内外研究者关注。虽然经过几十年的发展，聚合物太阳能电池的光电转换效率已经取得了巨大的进展(最高效率已经超过12％)，但是在产业化和商业化之前，其器件性能还有待提升。因此，通过设计合成新颖的材料以及制备更加高效的器件结构来进一步优化太阳能电池器件性能显得尤为重要，另外，器件结构中的界面调控对于提高器件的光电转换效率及稳定性也至关重要。优异的界面材料可以在电极/活性层界面形成有利偶极，利于电荷的提取和收集，在聚合物太阳能电池中不仅能减小能级势垒起到关键的作用，还能够改善活性层和相应电极之间的界面接触，最终优化了太阳能电池的性能。
　　本论文设计合成了一系列新型的P型有机电子传输层材料，通过调控界面偶极及能级结构，降低了氧化铟锡(ITO)的功函；另外，通过共轭聚电解质在ITO上的自组装及对上层活性层的诱导，提高了电荷传输性能，最终提高整个太阳能电池的器件性能。众所周知，共轭聚电解质的极性基团可以在电极/活性层界面形成有利偶极，在聚合物太阳能电池中其能减小能级势垒起到关键的作用。因此，我们设计合成了侧链含不同百分数极性胺的共轭聚电解质，基于聚[(9,9-双(3’-(N,N-二甲氨基)丙基)-2,7-芴)-协同-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFNs)的衍生物(PFN30, PFN50, PFN70, PFN100)，并研究极性基团的数量对界面偶极的影响。仅仅通过改变这些电解质的极性胺数量，界面偶极就可以得到很好地调控。随着极性胺增加，电解质修饰的氧化铟锡功函降低就验证了这一点。另外，增加极性胺的数目也有利于活性层形成光滑均一的形貌。因此PFNs衍生物的极性胺的含量对聚合物太阳能电池的性能产生很大的影响。增加界面层极性胺的数量可以有效地提高器件的效率。在这四个 PFNs衍生物中，最高含量极性胺的PFN100在电池中获得了3.27%的效率。这意味着，仅仅通过改变界面层共轭聚电解质极性基团含量是界面工程方面发展高效率聚合物太阳能电池简单易行和有前途的方法。另外，为了进一步优化 P型材料，钝化其厚度敏感性，我们还设计合成了另外一系列共轭聚电解质PFB, PFf1B和PFf4B替代ZnO作为电子传输层。和PFB电解质不同的是，PFf1B和PFf4B聚合物骨架上分别引入一个氟和四个氟，并以此来调节界面偶极和电荷传输。研究中，我们发现离子和氢氟键诱导的双偶极有益于调节氧化铟锡(ITO)电极的功函。另外，自组装的氟化共轭聚电解质也诱导上层活性层形成理想的纳米线形貌。更有趣的是，在这些共轭聚电解质中发现了氟诱导的电子转移支撑的n型掺杂，从而提高了电子迁移率。结果更进一步显示这些氟化共轭聚电解质在不同活性层的聚合物太阳能电池具有适用性。更值得一提的是，具有最高氟原子含量的PFf4B在厚度达到31.8纳米的时候还能有效地工作，突破了最近报告的共轭聚电解质界面层的厚度限制。
　　综上表明，优化的P型共轭聚电解质在器件中不仅能调控界面偶极及改善电极与活性层的界面接触，还具有很好的自组装性能，而且由于其自掺杂效应能进一步提高电子的传输能力，这对于提高聚合物太阳能电池的器件性能以及以后的大面积生产具有重要的指导意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 聚合物太阳能电池

1.2.1 聚合物太阳能电池的机理

1.2.2 聚合物太阳能电池的器件结构

1.2.3 有机太阳能电池的性能参数

1.3 聚合物太阳能电池的界面调控

1.3.1 聚合物太阳能电池界面层的作用及界面材料的分类

1.3.2 空穴传输层材料(HTL)与电子传输层材料(ETL)

1.4 本课题提出的意义以及研究内容

第2章 聚芴电解质用于聚合物太阳能电池：通过极性基团调控界面偶极

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验仪器

2.2.3 共轭聚电解质的合成

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 PFNs的能级及作用机理

2.3.2 太阳能电池的微观形貌

2.3.3 太阳能电池器件及其性能

2.4 本章小结

第3章 N掺杂型氟化共轭聚电解质用于聚合物太阳能电池：偶极的调控，形貌，和导电性

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验路线

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 PFB, PFf1B和PFf4B的功函及界面相互作用

3.3.2 太阳能电池微观形貌

3.3.3 太阳能电池器件及性能

3.3.4 太阳能电池器件的电子传输性能及其适用性

3.4 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果