基于苯并二噻吩-喹喔啉的D-A型聚合物光伏给体材料的设计合成与性能研究

摘要

聚合物太阳能光伏器件的性能与聚合物给体材料的结构及其器件加工工艺和技术息息相关。拓宽聚合物的吸收光谱能够显著地改善器件对太阳光的利用率;优化器件制备工艺，精确控制活性层的形貌，是提高器件转换效率的最有效的手段。本论文基于课题组前期合成的一种苯并二噻吩-喹喔啉聚合物光伏材料，研究拓宽其吸收光谱的结构改性方法，以及改善电池光伏效率的器件制备工艺。
　　(1)为了拓宽聚合物吸收光谱，增强其在近红外方向对太阳光的吸收利用率，分别用支化的和直线型的烷硫基柔性侧链替换原聚合物PBDT-DFQX-TT中的烷基柔性侧链，合成了两种新型共聚物PBDT-DFQX-TTSEH和PBDT-DFQX-TTSC8。烷硫基柔性侧链的应用，降低了聚合物的HOMO能级，使其吸收峰红移，增强了近红外吸收。其中带支链取代基的聚合物PBDT-DFQX-TTSEH具有更低的HOMO能级故而其器件获得了更高的Voc;而带直链取代基的聚合物PBDT-DFQX-TTSC8则具有更高的空穴迁移率，所以其器件获得了更高的Jsc。经过优化，PBDT-DFQX-TTSEH获得了最高7.84％的转换效率，PBDT-DFQX-TTSC8则获得了最高8.51％的转换效率。AFM和GIXS研究结果表明，添加剂或热退火后处理工艺会促使具有强分子间作用力的聚合物和PC71BM形成更大尺寸的相畴，从而降低聚合物太阳能电池器件的性能
　　(2)将具有强的吸电子能力的DPP作为第三单元，引入到聚合物中以改善其在长波方向的吸收能力，设计合成两个系列、结构为D-A1-D-A2的三元共聚物。发现随着DPP单元的投料占比升高，聚合物的近红外吸收边和ICT吸收峰逐渐红移;当QX单元和DPP单元的投料比为70∶30时，共聚物具有最理想的吸收光谱。但是器件研究结果显示，尽管聚合物的光谱吸收得到了增强，而器件性能却显著变差。其原因可能是加入的DPP由于其过强的吸电性，使得聚合物的HOMO、LUMO能级的电子云分布向DPP单元集中，电子云分布不连续影响激子在分子链内和分子间的传递，所以导致光伏器件的Jsc、FF和PCE均出现下降。
　　(3)将聚合物PBDT-DFQX-TTSC8作为给体，在近红外方向有强吸收的新型小分子ITIC和O-IDTBR作为受体，制备了非富勒烯太阳能电池器件。研究发现，相比其使用PC71BM制备的富勒烯器件，共混膜的吸收光谱在近红外方向的光吸收能力明显变强。使用一种新的膜形貌调控添加剂SBS后发现，SBS和目前最常用的溶剂添加剂DIO一样，能够有效调控混合膜的微观形貌结构，使器件的FF获得较大幅度的改善。但是残留在活性层中的SBS和DIO能够形成载流子陷阱导致器件的Jsc均发生不同程度的下降。以PBDT-DFQX-TTSC8/O-I DTBR制备的器件在1％SBS(v/v)用量的条件下FF得到了较大提高，进而将器件转换效率提升至8.61％;但PBDT-DFQX-TTSC8/ITIC器件，由于Jsc下降幅度较大，导致器件效率下降。AFM和2D-GIXS研究结果显示，SBS导致O-IDTBR片层从各向异性排列堆叠变成各向同性排列，从而影响了载流子传输效率，导致Jsc降低是器件效率下降的主要原因。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物太阳能电池简介

1．2．1 前言

1．2．2 聚合物光伏器件结构和工作原理

1．2．3 聚合物太阳能电池主要性能参数

1．3 聚合物太阳能电池活性层材料

1．3．1 聚合物太阳能电池给体材料

1．3．2 聚合物太阳能电池受体材料

1．4 本论文研究内容与创新点

1．4．1 本论文研究内容

1．4．2 本论文创新点

第二章 基于新型喹喔啉给体-受体型共聚物的无添加剂及免退火高性能光伏器件的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验所用原料和化学试剂

2．2．2 表征所用仪器

2．2．3 光伏器件的制作与性能表征

2．2．4 单体与聚合物的合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 聚合物的合成与热性能

2．3．2 光学性能

2．3．3 电化学性能

2．3．4 理论计算

2．3．5 光伏性能

2．3．6 微观结构

2．4 本章小结

第三章 三元共聚共轭聚合物有机太阳能电池的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和原料

3．2．2 测试与器件表征

3．2．3 反应单体和目标共聚物的合成

3．3 结果与讨论

3．3．1 聚合物的合成

3．3．2 聚合物的光学性能

3．3．3 聚合物电化学性能

3．3．4 聚合物光伏器件性能

4．3．5 理论计算

3．4 本章小结

第四章 非富勒烯受体材料的聚合物太阳能器件性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂和原料

4．2．2 性能测试与器件表征

4．2．3 聚合物的合成

4．3 结果与讨论

4．3．1 光学性能

4．3．2 聚合物光伏器件性能

4．3．3 微观结构

4．4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

研究成果及发表学术论文

作者和导师简介