稠環(huán)結(jié)構(gòu)聚合物電池給受體材料的制備和光伏性能.pdf

1、提高有機(jī)光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率是將其潛在優(yōu)勢(shì)（如低成本、質(zhì)輕、柔性和可大面積加工等）轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)的首要途徑，也是當(dāng)前乃至未來有機(jī)光伏技術(shù)領(lǐng)域的焦點(diǎn)問題。獲得窄帶隙、給受體能級(jí)匹配、具有高載流子遷移率的高效聚合物給受體材料是提高有機(jī)光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。圍繞高效“給體-受體”（D-A）型材料的設(shè)計(jì)合成、D-A型聚合物吸收光譜的調(diào)節(jié)、界面優(yōu)化和結(jié)構(gòu)-性能構(gòu)效關(guān)系探討等方面，本論文開發(fā)了角型稠環(huán)結(jié)構(gòu)苯并[2,1-b:3,4-b']二硒

2、吩類聚合物給體材料和一種具有高 LUMO能級(jí)的多元稠環(huán)結(jié)構(gòu)苝四羧酸酯基（PTTE）聚合物受體材料。主要內(nèi)容如下：
　　1.獲得了一種角型稠環(huán)結(jié)構(gòu)給電子單元苯并[2,1-b:3,4-b']二硒吩（BDSe），并與常用的缺電子單元4,7-二（5-溴-4-（2-乙基己基）噻吩-2-基）苯并[c][1,2,5]噻二唑（DTBT）共聚，得到了一種新型的D-A型聚合物給體材料PBDSe-DTBT。聚合物PBDSe-DTBT同時(shí)具有窄的光學(xué)帶隙

3、（1.71 eV）和深的HOMO能級(jí)（-5.37 eV）。采用1％1,8二碘辛烷（DIO）添加劑，PBDSe-DTBT:PC71BM（1:1）光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到5.6%，是已報(bào)道的角型結(jié)構(gòu)苯并二硫族雜芳環(huán)衍生物聚合物太陽能電池中的最高光電轉(zhuǎn)換效率。
　　2.針對(duì) D-A型聚合物呈現(xiàn)雙峰吸收以及雙峰間存在吸收透過的光譜特征，為實(shí)現(xiàn)吸收雙峰消融，促進(jìn)聚合物對(duì)太陽光的吸收利用，設(shè)計(jì)和合成了基于苯并二硒吩（BDSe）-不同數(shù)目

4、噻吩（nT，噻吩單元數(shù)n=1，2，3）-苯并噻二唑（BT）的三個(gè)聚合物給體材料PBDSe-1T-BT，PBDSe-2T-BT和PBDSe-3T-BT。隨著給體和受體間噻吩單元數(shù)目的增加，從 PBDSe-1T-BT， PBDSe-2T-BT到PBDSe-3T-BT，吸收雙峰間的透過區(qū)域（主要在400 nm-540 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)）逐漸減弱，其中PBDSe-3T-BT在450 nm-600 nm的雙峰高度融合，形成連續(xù)的吸收光譜，具有更強(qiáng)的

5、光吸收。研究了不同數(shù)目噻吩單元的引入對(duì)聚合物能級(jí)結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)和光伏性能的影響。其中，優(yōu)化后的PBDSe-1T-BT、PBDSe-2T-BT和PBDSe-3T-BT器件光電轉(zhuǎn)換效率分別為1.51%，3.95%和3.45%。除了與光吸收性能有關(guān)外，光伏性能的差異還與混合膜形貌和載流子遷移率有關(guān)。
　　3.在實(shí)現(xiàn)D-A型聚合物吸收雙峰調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，通過拓寬D-A型苯并[2,1-b:3,4-b']二硒吩聚合物的吸收光譜，可以進(jìn)一步增強(qiáng)聚

6、合物對(duì)太陽光的吸收，有利于獲得更高的短路電流。引入受體能力更強(qiáng)的吡啶并噻二唑單元作為受體單元，獲得了兩個(gè)具有更窄帶隙的聚合物給體材料PBDSe-DTPyT和PBDSe-DT2PyT，其光學(xué)帶隙分別為1.58 eV和1.53 eV。相比于PBDSe-DTPyT，PBDSe-DT2PyT吸收雙峰間的透過區(qū)域部分得到抑制，吸收雙峰部分融合，因此， PBDSe-DT2PyT具有更強(qiáng)的太陽光吸收能力。相比于苯并二硒吩-苯并噻二唑類聚合物材料，PB

7、DSe-DTPyT和PBDSe-DT2PyT器件的短路電流均提高，分別為12.38 mA/cm2和12.53 mA/cm2，外量子效率曲線顯示其光譜響應(yīng)范圍可以拓寬至800 nm。優(yōu)化后的器件光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了4.04%和4.50%。
　　4.將一種可大量制備且具有高穩(wěn)定性的 V2O5水溶膠，通過低溫溶液加工制備V2O5·nH2O薄膜，取代PEDOT: PSS作為空穴傳輸層材料，應(yīng)用于窄帶隙聚合物PBDSe-DT2PyT電池器

8、件。這種界面調(diào)節(jié)有效的提高了器件的光電性能，相比于基于PEDOT: PSS的光伏器件提高了30%，最終的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.87%。光電轉(zhuǎn)換效率的提高主要是由于飽和暗電流降低、漏電流降低、載流子復(fù)合損失減少、并聯(lián)電阻升高和二極管因子改善以及在400 nm-550 nm范圍內(nèi)器件光吸收明顯增強(qiáng)。
　　5.合成了一種基于苝-3,4,9,10-四甲酸-四（2-己基癸基）酯基（PTTE-HD）-2,2':5',2''-三聯(lián)噻吩的聚合物材料PP