【摘 要】
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有机太阳能电池（OSCs）是新一代太阳能电池技术,具有可溶液加工、重量轻、半透明和本征机械柔性等优点,表现出巨大的开发潜力和广阔的应用前景。当前,聚合物给体:小分子受体基OSCs的能量转换效率（PCE）已经接近19%,达到了商业化应用要求。然而,文献报道的高性能有机光伏材料（包括给体和受体）普遍分子结构复杂、合成路线长、纯化步骤繁琐、合成产率低。这些导致有机光伏材料合成成本过高,极大地限制了 OS
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有机太阳能电池（OSCs）是新一代太阳能电池技术,具有可溶液加工、重量轻、半透明和本征机械柔性等优点,表现出巨大的开发潜力和广阔的应用前景。当前,聚合物给体:小分子受体基OSCs的能量转换效率（PCE）已经接近19%,达到了商业化应用要求。然而,文献报道的高性能有机光伏材料（包括给体和受体）普遍分子结构复杂、合成路线长、纯化步骤繁琐、合成产率低。这些导致有机光伏材料合成成本过高,极大地限制了 OSCs的商业化应用。另一方面,对于稳定性优异的全聚合物太阳能电池（all-PSCs）,其光伏性能仍明显落后于聚合物给体:小分子受体基OSCs。其中all-PSCs光活性层形貌不易调控是主要原因之一。针对以上两个问题,本论文开发了一种低成本高性能聚合物给体光伏材料,使用三元策略研究了 OSCs（包括all-PSCs）的光活性层形貌,主要内容如下:（1）为了降低经典的氟化双噻吩基苯并二噻吩单元（BDTT-F）的合成成本,本论文通过异构化策略（互换BDTT-F单元中噻吩共轭侧链上F原子与柔性烷基链的位置）,设计合成了一个α位氟化的双噻吩基苯并二噻吩单元（α-BDTT-F）。相比于BDTT-F单元,α-BDTT-F单元的合成步骤更短、合成产率更高、纯化次数更少,因此合成成本大幅降低。理论计算结果表明,α-BDTT-F单元和BDTT-F单元具有相似的分子扭曲构象和电子结构。同时,基于α-BDTT-F单元的聚合物给体α-PBQ10表现出与BDTT-F单元基的聚合物给体PBQ10相似的光吸收和电子能级,以及更好的分子自组装行为和空穴传输能力。最终,在α-PBQ10:Y6基OSCs中实现了略微提高的光伏性能（PCE=16.26%）;另外,通过三元策略,将富勒烯类受体ICBA作为第三组分精细调控了光活性层的微观形貌,使器件的PCE进一步提升至16.77%。（2）为了提高all-PSCs的光伏性能,本论文采用三元策略,将低成本聚合物PTQ10作为第三组分引入到PM6:PY-IT基all-PSCs的光活性层中,来调控和优化光活性层（PM6:PY-IT）的微观形貌。PTQ10的加入减小了分子间π-π堆积距离,增加了分子间π-π堆积相干长度,并使分子堆积取向更加有序,从而增强了电荷分离和传输。同时,由于PTQ10比PM6具有更深的HOMO能级,三元all-PSCs的开路电压明显提高。最终,PM6:PTQ10:PY-IT基三元all-PSCs实现了16.52%的PCE,这是目前all-PSCs的最高效率之一。另外,三元all-PSCs表现出优异的厚膜光伏性能,在光活性层厚度为～205 nm和～306 nm时,依然分别呈现出15.27%和13.91%的PCEs,它们均是目前基于厚膜的all-PSCs的最高效率,这有利于器件大面积印刷制备。
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