可交聯(lián)的高性能有機(jī)光伏材料研制.pdf

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池因?yàn)榫哂匈|(zhì)輕、柔性、低廉及易加工制備等優(yōu)點(diǎn)，得到了科研工作者們的廣泛研究，被認(rèn)為是當(dāng)前已經(jīng)商業(yè)化的單晶硅類太陽(yáng)能電池的潛在替代品之一。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，特別是最近一大批高光伏性能的給體-受體型（D-A）聚合物光伏材料的出現(xiàn)，有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率（Power Conversion Efficiencies, PCE）獲得了巨大的提升，達(dá)到了9％~10%，已經(jīng)接近了實(shí)用化的水平。然而，有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的穩(wěn)定性依

2、然沒有得到很好的解決，是當(dāng)前面臨的一大難題。器件穩(wěn)定性差的主要原因之一是高效率的電池需要采用給體和受體兩種材料物理共混而成的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)作為活性層，其在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中給受體兩種材料傾向于發(fā)生大尺度相分離，從而嚴(yán)重影響激子的分化效率，使得電池性能大大降低。研究表明，通過利用可交聯(lián)的給體或受體材料制備活性層，在獲得較為理想的活性層結(jié)構(gòu)之后，啟動(dòng)交聯(lián)反應(yīng)來固化活性層形貌的策略，是一種解決有機(jī)太陽(yáng)能電池器件穩(wěn)定性的重要方法。目前，這種策略主

3、要應(yīng)用于過去典型的聚（3-己基噻吩）(P3HT)體系，而將其應(yīng)用于目前新開發(fā)的高性能D-A型聚合物材料的研究相對(duì)較少，領(lǐng)域內(nèi)還缺乏既具有交聯(lián)固化能力又能保持高效率的聚合物光伏材料。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本論文工作旨在對(duì)現(xiàn)有的高性能D-A型聚合物，通過其側(cè)鏈末端引入可交聯(lián)的活性基團(tuán)，賦予這些材料可交聯(lián)固化能力。在此基礎(chǔ)上，論文工作進(jìn)一步制備了太陽(yáng)能電池器件，展開對(duì)活性層交聯(lián)固化的研究，以期獲得兼具高光電轉(zhuǎn)換效率和高器件穩(wěn)定性的有機(jī)太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵

4、材料及其器件制備的關(guān)鍵技術(shù)。
　　在第一部分工作中，我們針對(duì)高性能的苯并二噻吩（Benzodithiophene，BDT）與噻吩[3,4-c]并吡咯-4,6-二酮（Thienopyrroledione，TPD）組成的D-A共軛聚合物，合成了末端帶烯鍵的BDT單體，并將其作為第三單體，與通常的BDT和TPD單體一起聚合，合成了一系列含不同比例末端乙烯基單元的聚合物PBDTTPD-VX（x=0,0.0125,0.025,0.05,0.

5、10)。結(jié)果表明，隨著聚合物PBDTTPD-VX結(jié)構(gòu)中含末端乙烯基的單元增加，聚合物的交聯(lián)固化性能得到不斷增強(qiáng)，但是所得器件性能卻不斷下降。優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，含2.5%可交聯(lián)單元的聚合物PBDTTPD-V0.025是可以保證活性層膜充分交聯(lián)、又可以保留較高器件效率的臨界聚合物。經(jīng)過電池器件制備和交聯(lián)工藝的優(yōu)化，基于PBDTTPD-V0.025所制得的電池器件經(jīng)交聯(lián)固化后依然獲得了6.06%的光電轉(zhuǎn)化效率，這是目前所報(bào)道的基于可交聯(lián)聚合物有機(jī)太

6、陽(yáng)能電池器件的最高值。另外，該器件還具有很高的熱穩(wěn)定性，經(jīng)150 oC加熱40 h后，仍保持了91%的原始PCE值。這明顯優(yōu)于由不含交聯(lián)單元的參比聚合物PBDTTPD-V0所制備的電池器件。
　　在第二部分工作中，我們基于高性能的烷基噻吩側(cè)鏈的苯并二噻吩（Benzodithiophene，BDT）與噻吩并噻吩（Thienothiophene，TT）組成的D-A共軛聚合物 PTB7-Th，合成了側(cè)鏈末端含有5%乙烯基的可交聯(lián)聚合物P

7、TB7-Th-V0.05。研究結(jié)果表明，膜狀態(tài)下的PTB7-Th-V0.05可經(jīng)過紫外光照射的作用下發(fā)生光交聯(lián)。然而，在器件制備過程中，需要對(duì)光不穩(wěn)定的1,8-二碘辛烷（DIO）作為添加劑調(diào)控活性層形貌。因此，基于PTB7-Th-V0.05電池器件，經(jīng)紫外交聯(lián)固化后性能表現(xiàn)很差。為此，我們選擇使用多元硫醇化合物既作為添加劑、又作為紫外交聯(lián)劑。研究表明該聚合物薄膜中引入硫醇類交聯(lián)劑后，其光交聯(lián)性能得到了大幅提升。初步的器件結(jié)果表明，添加5