【摘 要】
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有机太阳电池（Organic solar cells,OSCs）具有质轻、可溶液加工、可卷对卷加工、柔性、半透明等优点,在便携设备、建筑外墙、农业大棚等应用上表现出巨大的潜力。得益于科研工作者的不断努力,有机太阳电池经历了一系列的材料创新,制备工艺也日益成熟,器件效率也屡屡被刷新,目前OSCs的单结效率已突破19%。在众多优化策略中,无规共聚策略可在分子设计层面上实现对聚合物性能的精细调控,而三元
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有机太阳电池（Organic solar cells,OSCs）具有质轻、可溶液加工、可卷对卷加工、柔性、半透明等优点,在便携设备、建筑外墙、农业大棚等应用上表现出巨大的潜力。得益于科研工作者的不断努力,有机太阳电池经历了一系列的材料创新,制备工艺也日益成熟,器件效率也屡屡被刷新,目前OSCs的单结效率已突破19%。在众多优化策略中,无规共聚策略可在分子设计层面上实现对聚合物性能的精细调控,而三元策略能在活性层构筑上对器件的形貌、吸收范围等进行改善。许多研究表明三元策略和无规共聚策略是有效提升有机太阳电池器件性能的方法。本论文采用三元共混策略与无规共聚策略相结合的思路,制备了以无规共聚物与非富勒烯受体为主体组成2D/1A三元活性层,探究无规共聚物在构筑2D/1A三元活性层中的效果,为构筑高效2D/1A三元器件提供参考。第二章研究了由PTQSi505和PTQSi525两种侧链无规共聚物与受体Y6-BO组成的2D/1A三元活性层的器件性能和形貌。侧链无规共聚物PTQSi505和PTQSi525中硅氧烷侧链含量不同,但具有相同的分子骨架,这保证了两者间的相容性。研究发现,硅氧烷侧链含量低的PTQSi505:Y6-BO体系在甲苯溶剂中表现出良好的成膜性和较弱的结晶性,而PTQSi525:Y6-BO则表现出较高的结晶度、非常粗糙的薄膜表面和较差的成膜性。具有双给体的PTQSi505:PTQSi525:Y6-BO三元器件的成膜性得到改善,且表现出最高的能量转换效率（16.18%）,高于其二元器件的效率。三元器件中效率的提高主要归因于共混物中总硅氧烷侧链含量得到了微调,实现了结晶度与溶解度的平衡,减弱了活性层中的复合,增强了电荷传输能力。这展现了侧链无规共聚物在构筑三元活性层上的潜力。第三章探索了T10和T30两种主链无规共聚物给体与受体Y14共混的2D/1A三元器件。主链结构上的差异导致了T10和T30分子能级、聚集性、结晶度的差异,T10和T30共混的策略实现对活性层的结晶度、相分离尺度进行精细调控。T30能促进活性层中给受体的混合,从而形成更连续的互穿网络结构。三元共混能保持T10在提高薄膜结晶度方面的贡献,以及Y14提供高效的电子传输通道。T10、T30和Y14共混策略实现了对活性层形貌的微调,获得了15.51%的效率。这一研究进一步验证了无规共聚策略与三元策略结合的可行性。第四章针对主链无规共聚物T30和受体Y14共混时能级差过大、结晶度较弱的问题,尝试往T30:Y14体系中掺入液晶小分子给体BTR-Cl制备2D/1A三元器件,探究了含有不同BTR-Cl含量的器件的性能变化。小分子BTR-Cl与T30、Y14形成了能级的级联排列和吸收光谱的互补,T30:BTR-Cl:Y14共混体系可实现更高的开路电压以及更大的短路电流密度。BTR-Cl中的高结晶性促进了活性层形成更大的相分离,优化了器件形貌,提升了填充因子。经过掺入比例的优化,T30:BTR-Cl:Y14的最高效率达到了15.74%。采用合适的结晶小分子给体制备2D/1A三元的策略可同时提升器件的短路电流密度、开路电压、填充因子三个参数,是制备高效三元电池的有效途径。
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