【摘 要】
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有机自由基因其拥有特殊的单电子结构,而具有很高的反应活性。随着有机自由基的快速发展以及稳定性问题的解决,多种稳定的自由基材料被开发并得到广泛应用。其中,含加尔万氧自由基或TEMPO自由基的有机半导体聚合物材料,因其拥有良好的对氧稳定性及氧化还原特性,在光伏器件方面具有可观的应用前景。然而,目前有关自由基材料应用于聚合物太阳能电池中的研究还较少,相关的作用机制还不清晰。基于此,本论文合成了多种新型自
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有机自由基因其拥有特殊的单电子结构,而具有很高的反应活性。随着有机自由基的快速发展以及稳定性问题的解决,多种稳定的自由基材料被开发并得到广泛应用。其中,含加尔万氧自由基或TEMPO自由基的有机半导体聚合物材料,因其拥有良好的对氧稳定性及氧化还原特性,在光伏器件方面具有可观的应用前景。然而,目前有关自由基材料应用于聚合物太阳能电池中的研究还较少,相关的作用机制还不清晰。基于此,本论文合成了多种新型自由基聚合物,通过分别将其应用于聚合物太阳能电池光活性层或阴极界面层,深入研究了自由基聚合物材料的引入对光伏器件性能的影响,进而为探索其在光伏器件中的作用机制提供了新的契机。在第二章中,通过Stille偶联反应将（4,8-双（2,3-（2-乙基己基）噻吩-5-基）苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩-2,6-双基）双三甲基锡（BDT-TSn）、（4,8-双（5-（2-乙基己基）-4-氟噻吩-2-基）苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩-2,6-双基）双三甲基锡（BDT-FSn）单体与2,6-二叔丁基-4-（（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）（3,5-二溴苯基）亚甲基）环己-2,5-二烯酮（Gxl-H-Br）聚合成共轭聚合物PHW-H和FEH-Gxl-H。随后,通过氧化反应得到含加尔万氧自由基的共轭聚合物PHW、FEH-Gxl。通过对自由基聚合物PHW和FEH-Gxl进行凝胶渗透色谱、电子顺磁共振、热稳定性、紫外可见吸收光谱等测试,确定成功合成了两种含加尔万氧自由基的共轭自由基聚合物。将自由基聚合物PHW和FEH-Gxl分别用作添加剂,应用于PBDB-T:ITIC体系的本体异质结活性层的光伏器件中。当分别以0.5%的PHW或1%的FEH-Gxl作为添加剂,加入到活性层中,此时能量转换效率（PCE）由8.73%达到了9.63%和9.55%,开路电压(VOC)由0.899 V提高至0.901 V和0.903 V,短路电流(JSC)由14.60 m A/cm~2提高至15.45 m A/cm~2和15.76 m A/cm~2,填充因子（FF）由66.57%提高至69.13%和67.14%。由此推测,加尔万氧自由基的加入可能抑制了PBDB-T:ITIC体系的三线态电荷转移,从而导致光伏器件激子解离率的提高,双分子复合得到抑制,进而提高光伏器件的PCE。在第三章中,利用Stille偶联反应制备了侧基含有TEMPO自由基的共轭聚合物FEH-BTMP。通过对自由基聚合物FEH-BTMP进行凝胶渗透色谱、电子顺磁共振、热稳定性、紫外可见吸收光谱等测试,确定了含TEMPO自由基的共轭自由基聚合物的成功制备。将自由基聚合物FEH-BTMP作为添加剂,应用于PBDB-T:ITIC本体异质结活性层的光伏器件中。当添加质量比为1%的FEH-BTMP时,光伏器件PCE由8.48%达到了8.95%,VOC由0.901 V提高至0.903 V,JSC由14.15 m A/cm~2提高至14.62 m A/cm~2,FF由66.56%提高至67.81%。通过后续测试,进一步验证了TEMPO自由基对PBDB-T:ITIC体系的三线态电荷转移的抑制作用,从而导致光伏器件激子解离率的提高,双分子复合得到抑制,进而提高光伏器件的PCE。在第四章中,利用Stille偶联反应制备了醇溶性三元无规共轭聚合物PDX-32。通过对聚合物PDX-32进行凝胶渗透色谱、电子顺磁共振、热稳定性、紫外可见吸收光谱等测试,确定了含加尔万氧自由基的醇溶性共轭自由基聚合物PDX-32的成功制备。通过将不同质量浓度的醇溶性自由基聚合物PDX-32作为阴极界面层,加入到PBDB-T:ITIC光伏器件中。当在加入0.5 mg/m L的PDX-32作为阴极界面层时,PCE由5.65%达到了8.24%,VOC由0.812 V提高到0.900 V,JSC由13.83 m A/cm~2提高到14.50 m A/cm~2,FF由58.06%提高到63.05%。进一步测试发现,与常见的有机阴极界面材料PBN相比,加尔万氧自由基中的?自旋单电子能提高自由基聚合物PDX-32的电导率。由于良好的导电性,使得当其应用于PBDB-T:ITIC器件的阴极界面层时,光伏器件激子解离率得到提高,双分子复合得到抑制,进而提高光伏器件的PCE。
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