多節(jié)棍型聚合物光伏材料的電池器件制備及形貌調(diào)控研究.pdf

1、有機(jī)太陽能電池具有質(zhì)輕、柔性、低成本、可溶液加工以及適合卷對(duì)卷大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的研究和發(fā)展。目前，單層的有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)已經(jīng)超過了10％。通常，有機(jī)太陽能電池的給體材料可以分為共軛聚合物和小分子化合物兩種。共軛聚合物一般成膜性好、易于加工，但聚合物同時(shí)是一個(gè)同系物的混合體系，存在分子量及分子量分布的問題，其光電性能因此也受聚合物合成批次的影響。與此相對(duì)地，小分子化合物具有明確的分子結(jié)構(gòu)，可以通過不

2、同的設(shè)計(jì)合成，易于純化，且光電性能不受合成批次的影響，但一般小分子化合物都有較大的共軛核，使其容易聚集結(jié)晶，成膜性能差，難以溶液加工。為了解決這些問題，我們結(jié)合了聚合物以及小分子各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并合成了一類新型的聚合物給體材料，即多節(jié)棍聚合物，它是由共軛的光電鏈段和非共軛的柔性鏈段交替組成，各鏈段擁有明確的分子結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于材料本身聚合物的屬性，多節(jié)棍聚合物也將擁有良好的成膜性能，易于溶液加工等特點(diǎn)。
　　在本論文的第一章工作中

3、，我們致力于研究多節(jié)棍型聚合物光伏材料的構(gòu)效關(guān)系，主要是通過改變共軛光電鏈段上的烷基側(cè)鏈和非共軛的柔性連接基團(tuán)來研究結(jié)構(gòu)變化對(duì)其基本性質(zhì)以及光伏性能的影響。我們課題組設(shè)計(jì)并合成了五種多節(jié)棍聚酯材料，其共軛光電鏈段是基于苯并二噻吩(BDT)和苯并噻二唑(BT)的A-D-A型共軛基團(tuán)，非共軛鏈段采用不同的柔性酯鏈段作為連接基團(tuán)。通過其基本性質(zhì)以及器件活性層系統(tǒng)地優(yōu)化研究，我們發(fā)現(xiàn)，不同的柔性酯鏈段對(duì)多節(jié)棍聚合物材料的光學(xué)性能、LUMO和HO

4、MO能級(jí)以及其帶隙都影響很小，其器件最終表現(xiàn)的 PCE也基本保持一致；而共軛的光電鏈段上不同的烷基側(cè)鏈基團(tuán)，對(duì)多節(jié)棍聚合物材料的光學(xué)性能、能級(jí)、帶隙、膜形貌和空穴遷移率等都有很大的影響，經(jīng)過優(yōu)化，最高的多節(jié)棍聚合物材料可以達(dá)到1.09%的PCE。
　　在第二章工作中，為了提高多節(jié)棍聚合物的光電轉(zhuǎn)化效率，拓寬多節(jié)棍聚合物的應(yīng)用范圍，我們將共軛的光電鏈段替換為基于吡咯并吡咯烷酮(DPP)的D-A-D型共軛基團(tuán)，非共軛的柔性鏈段采用直鏈

5、烷基，得到多節(jié)棍聚合物PDPP-6TH-C16。作為對(duì)比，我們又合成了基于DPP的D-A-D型的小分子化合物DPP-6TH-C16，它的結(jié)構(gòu)與多節(jié)棍聚合物的主鏈相似。經(jīng)過器件活性層最終的優(yōu)化，DPP-6TH-C16/PC61BM體系的 PCE可以達(dá)到4.07%，DPP-6TH-C16/PC71BM體系的 PCE為3.21%，而 PDPP-6TH-C16/PC61BM體系的 PCE為1.53%， PDPP-6TH-C16/PC71BM體系

6、的PCE為1.87%。與參照物小分子對(duì)比，多節(jié)棍聚合物得到的光電性能還略有欠佳，主要是由于多節(jié)棍聚合物的膜形貌以及空穴遷移率都比小分子化合物更差。此外，我們還嘗試了將多節(jié)棍聚合物作為第三組分添加到小分子化合物中制備三元體系的太陽能電池，發(fā)現(xiàn)在小分子化合物電池中添加微量的多節(jié)棍聚合物 PDPP-6TH-C16，可以使電池器件最終的 PCE提高到4.32%。因而，多節(jié)棍聚合物還可以作為一種添加劑來調(diào)節(jié)有機(jī)太陽能電池的活性層以及改善其光伏性能