【摘 要】
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太阳能作为实现“双碳”目标中最具有优势的能源,其可再生与环保性满足取代传统石油能源的需求。有机太阳能电池（Organic Solar Cells,OSCs）由于其易于溶液处理、成本低等优势成为光伏领域内的研究前沿之一。在近二十年的时间里,单结OSCs的效率由最初不到1%提高到19.6%,叠层OSCs器件效率突破20%,充分体现了它的商业化潜能。目前为止,OSCs的应用依然受限于材料发展、结构改进、
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太阳能作为实现“双碳”目标中最具有优势的能源,其可再生与环保性满足取代传统石油能源的需求。有机太阳能电池（Organic Solar Cells,OSCs）由于其易于溶液处理、成本低等优势成为光伏领域内的研究前沿之一。在近二十年的时间里,单结OSCs的效率由最初不到1%提高到19.6%,叠层OSCs器件效率突破20%,充分体现了它的商业化潜能。目前为止,OSCs的应用依然受限于材料发展、结构改进、形貌调控、能损控制等。苝酰亚胺（PDI）基非富勒烯小分子受体材料（Non-fullerene Acceptors,NFAs）由其特殊的结构与优异的电荷传输能力,具有良好的吸收、能级可调性,受到国内外众多课题组的关注。研究过程中人们发现,构建PDI二聚体/低聚物的方法可以克服该类材料本身强烈聚集的倾向,随后进一步发现形成稠环FPDI单元不仅可以凭借其螺旋准二维结构抑制分子聚集,而且将获得更强的光吸收。在此基础上,FPDI类材料还被作为第三组分用于改善器件光子吸收能力、优化薄膜微观结构,并获得了17.52%的效率。本论文从含有FPDI单元的NFA材料FPDI-2PDI出发,在研究该受体的光学和电化学性质的基础上,考察它与三种带隙给体材料配合时的光伏性能与薄膜形貌,分析了宽带隙PDI基NFAs与不同类型给体的适配程度。并将FPDI-2PDI作为第三组分引入高性能二元器件中,通过比较二/三元器件的光伏特性和薄膜形貌等,揭示FPDI-2PDI在三元OSCs中的工作机理。主要研究内容如下:（1）选用窄中宽三种带隙类型的聚合物PTB7-Th、PBDB-T和PM6作为给体,制备并优化了三种二元OSCs。窄带隙PTB7-Th由其最优的光谱互补和相分离结构,EQE响应程度与载流子迁移率最高,从而获得最大的光电流密度13.62m A·cm-2和填充因子60.09%;宽带隙给体PM6对应器件则由于存在最大能级差,表现出最高的器件开路电压0.9 V和激子解离率91.20%;而中等带隙给体PBDB-T囿于较差的相容性,相区结晶尺寸过大,导致激子的解离与电荷传输效率最低,因此只获得4.74%的能量转换效率。而在吸收、能级、相容性或结晶性方面适配度更高的PTB7-Th和PM6二元器件分别获得6.22%、5.79%的PCE。这部分工作证明了优化共混体系中给受体在吸收光谱、能级、相容性与结晶性等方面的匹配程度,对于提高器件效率具有重要意义。（2）将宽带隙FPDI基受体FPDI-2PDI作为第三组分引入PM6:Y6体系中,构建PM6:Y6:FPDI-2PDI三元OSCs。经过器件制备优化和性能表征,加入10%的FPDI-2PDI时三元器件的效率由13.46%提升至14.97%。实验数据显示FPDI-2PDI和Y6之间可以构成能量转移机制,提高了对太阳光的利用效率。同时,FPDI-2PDI作为第三组分也提高了相容性和结晶性,活性层薄膜相分离程度增强、晶体取向改善,从而载流子的传输效率得以提升。此外FPDI-2PDI的加入促进激子解离位置的增加,增强了器件的电荷分离能力,激子解离效率由94.55%升高至98.55%。得益于第三组分对电荷分离与传输性能的优化,电流密度由22.21 m A·cm-2升高至23.12 m A·cm-2,对应EQE也表现出更强烈的响应。运用三元策略合理引入第三组分可以有效补充给受体光吸收、改善相容性与结晶性,同时也证明了FPDI-2PDI作为OSCs的第三组分具有良好的应用潜力。
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