论文部分内容阅读
近年来,聚合物太阳能电池（PSCs）的能量转换效率（PCE）已经突破了18%。基于给电子单元（D）苯并二噻吩（BDT）和吸电子单元（A）苯并二噻吩-4,8-二酮（BDD）、氟代苯并三氮唑（BTZ）或酯基取代噻吩的D-A型中/宽带隙共轭聚合物,被广泛应用于的高效PSCs的构筑。本文通过调节BDT单元的共轭侧链和受体单元的类型及其上的取代基,设计合成了三个系列基于BDT的新型D-A型聚合物太阳能电池给体材料。重点研究了受体单元的类型、BDT单元的共轭侧链以及受体单元的取代基对聚合物给体材料的热性能、光物理、电化学和光伏性质的影响。主要研究内容如下:1. 合成了以5-硫烷基-3,4-二甲氧基噻吩为侧链的BDT单元,并分别与BDD、BTZ和酯基取代三噻吩（TCE）单元共聚,获得了三个宽带隙的D-A型共轭聚合物PTO-BDD、PTO-BTZ和PTO-TCE。系统地研究了不同类型的受体单元（BDD、BTZ和TCE）对共聚物光电性能的影响。结果表明:PTO-BTZ具有更好的溶解性和更大的摩尔消光系数,有利于获得高的短路电流(JSC);而PTO-BDD和PTO-TCE则获得更低的HOMO能级,有利于获得更高的开路电压(VOC)。以所合成的共聚物为给体材料,ITIC为受体材料制备聚合物太阳能电池器件。基于PTO-BDD、PTO-BTZ和PTO-TCE器件的PCE分别为2.39%、5.32%和0.52%。基于PTO-BTZ的PSC性能最好的主要原因在于给受体电荷转移最有效、载流子迁移率更高且更均衡,活性层形貌更好,有利于获得高的JSC和FF。2. 合成了以硫烷基噻吩和烷硫基苯-噻吩为侧链的BDT单元,分别与含酯基的三噻吩吸电子单元（TCE）共聚,获得了两个中带隙的D-A型共轭聚合物PTE-TCE和PTP-TCE。通过与PTO-TCE对比,系统地研究了BDT单元上不同的侧链对聚合物给体材料光电性能的影响。结果表明:相对于PTO-TCE,PTE-TCE和PTP-TCE的溶解性大大增加,吸收光谱均发生了红移。以所合成的共聚物为给体材料,ITIC为受体材料的PSCs的PCE分别为10.10%和8.39%。当受体材料换成DTCFO4Cl时,基于PTE-TCE和PTP-TCE的PSCs获得了更优的性能,PCE分别为达到10.60%和9.43%。器件性能提升的原因在于以DTCFO4Cl为受体时共混膜的形貌所改善,因此其短路电流、填充因子以及光电转化效率得以提高。当以Y6为受体材料时,基于PTP-TCE的器件的PCE进一步提高到11.46%,而PTE-TCE的效率下降到7.36%。3. 合成了氰基乙酸酯取代的噻吩类吸电子单元3TCN和TCN,并分别与硫烷基噻吩为侧链的BDT单元共聚,获得了两个中带隙的D-A型共轭聚合物PTE-3TCN和PTE-TCN。通过与PTE-TCE对比,重点研究含不同取代基的噻吩吸电子单元对共聚物光电性能的影响。研究发现两个聚合物都有良好的热稳定。相对于PTE-3TCN,PTE-TCN的溶解性更好。由于受体单元吸电子能力增强,PTE-3TCN和PTE-TCN比PTE-TCE的光学带隙均有所降低,其HOMO能级也更低。基于两个聚合物的PSCs,以ITIC为受体的性能都较差,但均获得了较高的VOC;换用DTCFO4Cl为受体后,PTE-TCN的器件效率最好为1.32%,相应的VOC达到1.09 V。