用于有機(jī)太陽能電池的共軛聚合物設(shè)計(jì)合成與器件研究.pdf

1、有機(jī)太陽能電池具有質(zhì)輕、價(jià)廉、柔性、可溶液加工和易制備成大面積器件等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。本論文設(shè)計(jì)合成了一系列聚合物供體材料，并結(jié)合界面工程和器件優(yōu)化，研究探索了其在高效率有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用:探索了不同類型電子給-受體單元匹配、不同側(cè)鏈修飾等對聚合物性質(zhì)的影響;探索了有機(jī)太陽能電池的工藝優(yōu)化條件及三元共混體系對器件光伏性能的影響;探索了有機(jī)小分子作為電子傳輸材料在倒置結(jié)構(gòu)器件中的應(yīng)用。
　　論文第二章中，以苯并二

2、噻吩(BDT)單元為供電單元，與并噻唑(TTz)、苯并噻二唑(BT)和吡咯并吡咯二酮(DPP)等不同吸電單元通過Still偶聯(lián)交替共聚合成了四個(gè)聚合物給體材料。分析討論了不同側(cè)鏈修飾，不同供電單元-吸電單元匹配對聚合物熱穩(wěn)定性、光學(xué)性質(zhì)、電化學(xué)能級的影響，以及有機(jī)太陽能電池器件制備工藝的優(yōu)化?；赑BDTT-TTz∶PC61BM(1∶2，w/w)的光伏器件用PFN為電子傳輸層，通過熱處理等優(yōu)化，獲得2.60％的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　

3、本論文第三章，將苯并噻二唑(BT)的硫原子替換成硒原子，合成了吸電單元苯并硒二唑(BSe)，分別與BDT或萘并二呋喃(NDF)單元交替共聚合成了四個(gè)聚合物給體材料。分析討論了單個(gè)原子的替換對聚合物熱穩(wěn)定性、光學(xué)性質(zhì)和分子能級的影響。因Se原子半徑較大，N-Se鍵利于形成較強(qiáng)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)作用，含硒聚合物獲得了較硫?qū)?yīng)聚合物拓寬的光譜吸收、更窄帶隙、及略微升高的HOMO能級。PBDTT-DTBSe∶PC71BM的光伏器件實(shí)現(xiàn)了

4、5.40％的光電轉(zhuǎn)換效率;其中，開路電壓為0.75V，短路電流為11.23mA/cm2，填充因子為64.1％。
　　本論文第四章，設(shè)計(jì)合成了噻二唑并[3，4-g]喹喔啉(TQx)強(qiáng)吸電單元，與BDT、NDF供電單元通過Still偶聯(lián)交替共聚合成了三個(gè)帶隙接近1.0eV的超窄帶隙聚合物給體材料。探究了TQx單元不同側(cè)鏈和與不同供電單元交替的共聚物對聚合物熱穩(wěn)定性、光學(xué)性質(zhì)和分子能級的影響。在器件優(yōu)化工藝中，著重研究了其在三元共混體系

5、中的作用及影響?；赑BDTT-TQxP/P3HT/PC71BM的三元太陽能電池，當(dāng)摻雜9％的PBDTT-TQxP時(shí)，器件的光電轉(zhuǎn)換效率提升了22％。
　　本論文第五章，通過在BDT和苯并二呋喃(BDF)側(cè)鏈引入硫烷基鏈，特別是在BDT單元引入雙硫烷基鏈作為供電單元，與并噻吩(TT)、苯并噻二唑(BT)或雙氟苯并噻二唑(BTff)吸電單元通過Still偶聯(lián)交替共聚合成了聚合物供體材料。分析討論了硫烷基對聚合物熱穩(wěn)定性和光電性能的影

6、響。在BDT體系中，聚合物PBDT-DTBTff展現(xiàn)較高的載流予遷移率，器件光電轉(zhuǎn)換效率為7.65％，開路電壓為0.86V，短路電流為13.32mA/cm2，填充因子為66.8％。在BDF體系中，活性層PBDF-DTBTff/PC71BM在DIO添加劑和THF飽和蒸汽的處理下，倒置器件的光電轉(zhuǎn)換效率為5.48％，開路電壓為0.74V，短路電流為11.04mA/cm2，填充因子為65.3％。
　　本論文第六章，將N,N′-雙(3-(

7、二甲基氨基)丙基)-2，9-苝-1，3，8，10-四羧基酰亞胺(PDIN)和N,N′-雙(3-(二甲基氨基)丙基)-5，11-二辛基奎寧烯-2，3，8，9-四羧基酰亞胺(CDIN)兩種醇溶性小分子電子傳輸層材料應(yīng)用在倒置結(jié)構(gòu)中，修飾或替代ZnO，考察了在不同體系中對器件性能的影響。首次揭示了得益于PDIN或CDIN分子自身的高度規(guī)整結(jié)晶性，可有效優(yōu)化上層活性層的形貌，有利于活性層結(jié)晶性的提高和更強(qiáng)的π-π堆積及有序性，從而有利器件載流子

8、傳輸。另外這種有機(jī)-有機(jī)的界面也有利于減小界面間的復(fù)合，從而提升光電轉(zhuǎn)換效率。在PDIN作為電子傳輸層和PTB7-Th/B-DIPDI作為活性層體系，當(dāng)使用PDIN替代或修飾ZnO作為電子傳輸層時(shí)，器件的光電轉(zhuǎn)換效率大約出現(xiàn)了10％-14％比例的提高。CDIN作為基層的電子傳輸層，探索了其在不同體系中的一般適用性，基于r-PTB7-Th/PC71BM活性層體系，使用CDIN修飾的器件光電轉(zhuǎn)換效率從原始的10.14％，提高到了11.17％