新型共軛聚合物光伏材料的設(shè)計(jì)合成及光伏特性研究.pdf

1、聚合物太陽(yáng)電池因其具有制備工藝簡(jiǎn)單、重量輕、易制備大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛關(guān)注。由共軛聚合物給體與富勒烯共混而成的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是聚合物太陽(yáng)電池中應(yīng)用最成功的器件結(jié)構(gòu)，共軛聚合物在該體系中起著吸收太陽(yáng)光，傳輸空穴等作用，是決定太陽(yáng)電池性能的關(guān)鍵材料。本論文的主要工作是基于萘并[2，3-c]噻吩-4，9-二酮(NTD)和苯并[1，2-c∶4，5-c']二噻吩-4，8-二酮(BDD)單元設(shè)計(jì)并合成出新型的聚合物給體材料。
　　主要

2、工作內(nèi)容摘要如下:
　　1、我們將噻吩并吡咯二酮(TPD)單元的氮原子換成了苯環(huán)，以提高該單元的平面性，合成出了萘并[2,3-c]噻吩-4，9-二酮(NTD)受體單元。基于該受體單元，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了四種共軛聚合物P1-P4。其中，P1在300-700nm范圍內(nèi)有較寬的吸收，較低的HOMO能級(jí)及較好的π-π堆積，表現(xiàn)出最好的性能。基于P1∶PC61BM所制備的器件獲得了1V的開(kāi)路電壓，能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)4.24％。
　　2

3、、為了減小噻吩橋上烷基鏈對(duì)主鏈平面性的影響，以進(jìn)一步提高聚合物P1的性能，我們改變了噻吩橋上烷基側(cè)鏈的位置。合成出了一種新的受體單元，苯并[1，2-c∶4，5-c']二噻吩-4,8-二酮(BDD)。并基于BDT和BDD單元合成了聚合物P6。因具有很好的分子平面性，P6在溶液中表現(xiàn)出很強(qiáng)的聚集現(xiàn)象，并且該溶液聚集程度依賴于溫度變化?；赑6∶PC61BM為活性層的聚合物太陽(yáng)電池，其VOC、JSC、FF分別為0.85V、11.85mA/cm

4、2、65.3％，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)6.58％。
　　3、聚合物在溶液中聚集是一種非常重要的物理現(xiàn)象，它可以對(duì)薄膜的形貌產(chǎn)生影響。大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明溶液中聚合物的聚集狀態(tài)在旋涂過(guò)程中可以被保留并存在于薄膜中進(jìn)而影響薄膜的形貌。由于P6在溶液中表現(xiàn)出很強(qiáng)的聚集，并且在溶液加熱到100℃時(shí)聚集現(xiàn)象消失，因此，我們制備了A、B兩組器件，其中，用于制備活性層的溶液分別在30℃(A)和90℃(B)兩個(gè)溫度下攪拌均勻。器件B的能量轉(zhuǎn)換效率要比器件

5、A低30％。通過(guò)對(duì)兩組器件的薄膜形貌研究，我們發(fā)現(xiàn)，器件B活性層中的聚集體尺寸要大于器件A中的聚集體，因而導(dǎo)致較低的開(kāi)路電壓和填充因子。這一工作為揭示共混膜形貌與溶液加工溫度之間的關(guān)系提供了一種很好的途徑。
　　4、規(guī)整的聚噻吩類衍生物因較好的結(jié)晶性能而具有高的電荷遷移率，并被人們廣泛研究。但其較高的HOMO能級(jí)和較窄的吸收導(dǎo)致較低的開(kāi)路電壓和短路電流。為了解決這一難題，我們基于BDD單元采用D-A共聚的方式合成了四種聚噻吩類衍生

6、物。BDD單元的強(qiáng)吸電子能力成功的降低了聚合物的HOMO能級(jí)和帶隙寬度。而且，四種聚合物都具有很好的結(jié)晶性能。其中，P10顯示出了最好的光伏性能，基于P10∶PC70BM的光伏器件效率達(dá)到了6.64％，VOC、JSC、FF分別為0.84V、11.20mA/cm2、70.6％。
　　5、為了研究交聯(lián)型聚合物對(duì)本體異質(zhì)結(jié)器件活性層形貌及器件熱穩(wěn)定性的影響，我們合成了帶有溴基團(tuán)的光交聯(lián)型D-A共聚物:P13、P14?；赑13或P14的