【摘 要】
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有机太阳电池（Organic solar cells,OSCs）因其质轻、柔性、可通过溶液加工等特性受到了众多科研人员的关注。近来,非富勒烯受体通过不断开拓新结构,积极寻求与聚合物给体的良好搭配,显著促进了非富勒烯OSCs的快速发展,器件的能量转换效率（Power conversion efficiency,PCE）得到了跨越式提升,基于二元材料体系活性层的单节器件PCE突破了18%,极大地超越了
【基金项目】
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科技部973计划； 国家自然科学基金；
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有机太阳电池（Organic solar cells,OSCs）因其质轻、柔性、可通过溶液加工等特性受到了众多科研人员的关注。近来,非富勒烯受体通过不断开拓新结构,积极寻求与聚合物给体的良好搭配,显著促进了非富勒烯OSCs的快速发展,器件的能量转换效率（Power conversion efficiency,PCE）得到了跨越式提升,基于二元材料体系活性层的单节器件PCE突破了18%,极大地超越了先前所研究的富勒烯OSCs的效率。三元策略能够进一步发挥材料的光伏性能,通过2D/1A或者1D/2A方式组成三元活性层可显著提升器件PCE,与叠层器件相比,三元器件结构简单、制备成本低,因此受到研究者的重视。本文从材料成本、吸收光谱、分子结构等角度出发选取第三组分,实现了多个材料体系器件性能的提升。在第二章中,基于简单稠环非富勒烯受体BDDEH-4F结构较为简单、合成路线短、材料成本低的特点,以及特别依赖与PM6类合成步骤相对繁琐的聚合物给体搭配的现状,采用低成本聚合物给体PTQ10作为第三组分来构筑2D/1A三元活性层。Flory-Huggins相互作用参数χ表明PTQ10拥有更好的给受体相容性,PTQ10的引入对活性层的表面形貌以及相分离进行了优化。在器件效率方面,相比PM6:BDDEH-4F=1:1二元活性层12.16%的PCE,引入低成本PTQ10的PM6:PTQ10:BDDEH-4F=0.85:0.15:1三元活性层将PCE提高至13.04%。当PTQ10在给体中的质量分数小于20%时,三元器件都能实现高于最优二元器件的PCE,展现出一定的组分容忍性。在第三章中,聚合物L2-T20是一种HOMO能级较浅的给体,与非富勒烯受体BTz IC-2Br-δ搭配时二元器件效率为14.61%。选取宽带隙、深HOMO能级的给体PM6作为第三组分构筑了材料组成为L2-T20:PM6:BTz IC-2Br-δ的2D/1A型三元器件。PM6的引入加强了活性层的吸收和EQE响应,两个给体之间形成的类并联结构使器件的Voc也得到了提升。当L2-T20与PM6的质量比为0.7:0.3时,三元活性层能够取得最高15.63%的PCE,同时PM6在给体中的质量分数低于40%时,三元器件都能展现出较二元器件更优的性能。在第四章中,选取聚合物给体L2-T20,末端溴取代位点不同的两种同分异构非富勒烯受体BTz IC-2Br-γδ和BTz IC-2Br-δ制备出1D/2A型三元活性层。两种受体材料结构相似,显示出良好的相容性,第三组分的引入优化了活性层的形貌,器件的电子迁移率大幅提高,载流子输运达到平衡。材料组成为L2-T20:BTz IC-2Br-γδ:BTz IC-2Br-δ=1:1.1:0.1的三元活性层展现出最高16.30%的PCE,超越15.81%的二元器件最优效率。降低给体材料的分子量后,三元器件仍能取得接近16%的PCE,而二元器件性能下降幅度较大,PCE已低于15%。
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