【摘 要】
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有机太阳能电池具有柔性、质轻以及溶液加工等特点,有望成为柔性电子产品的供电部件。为保证柔性有机太阳能电池在弯曲、拉伸以及回复等形变操作中的稳定性,其吸光层材料需要具备优异的力学性能,如模量、断裂伸长率以及韧性等。有机太阳能电池的吸光层由有机共轭材料组成,其刚性共轭骨架导致柔韧性很差,降低了柔性有机太阳能电池在使用过程中的稳定性。针对这些问题,本论文从两方面研究了吸光层共轭材料力学性能的调控方法,包
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有机太阳能电池具有柔性、质轻以及溶液加工等特点,有望成为柔性电子产品的供电部件。为保证柔性有机太阳能电池在弯曲、拉伸以及回复等形变操作中的稳定性,其吸光层材料需要具备优异的力学性能,如模量、断裂伸长率以及韧性等。有机太阳能电池的吸光层由有机共轭材料组成,其刚性共轭骨架导致柔韧性很差,降低了柔性有机太阳能电池在使用过程中的稳定性。针对这些问题,本论文从两方面研究了吸光层共轭材料力学性能的调控方法,包括将柔性的绝缘高分子引入共轭材料的物理掺杂策略,以及引入长烷基侧链的分子结构优化策略,期望提升吸光层薄膜的力学性能,主要研究内容如下:一、在以共轭高分子PM6为电子给体、小分子BTP-BO-4Cl为电子受体的共混体系中,分别引入柔性绝缘高分子聚苯乙烯（PS）以及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯的共聚物（SBS）,研究了PS与SBS作为掺杂剂对吸光层的形貌、力学性能以及电池性能的影响。研究发现,随着PS和SBS掺杂剂含量的提高,器件的光电转换效率有所下降。这是由于绝缘高分子PS和SBS的加入会造成吸光层的电子迁移率下降,增加电荷复合机率,从而导致光伏器件的光电转换效率降低。通过水上拉伸测试发现,PS与SBS的引入导致吸光层薄膜的断裂伸长率下降。这是由于PS和SBS与吸光层之间的相容性较差,相分离尺寸过大,从而降低了薄膜的力学性能。研究结果表明,尽管PS和SBS本身具有优异的拉伸性能,但是由于与吸光层的相容性问题,并不能改善吸光层的拉伸性能。所以,通过物理共混的方式提高柔性有机太阳能电池的拉伸性能时,不但要考虑引入组分的可拉伸性能,更要考虑两者之间的相容性。二、考虑到物理掺杂的相容性问题以及共轭主链的刚性问题,这一部分我们将柔性与刚性进行共价键连接。以PM6为研究对象,将PM6的柔性侧链从2-ethylhexyl延长到2-octyldodecyl,通过控制聚合反应的条件,获得了数均分子量为38.8 k Da,81.1 k Da和178.3 k Da的三种聚合物PLCL,PLC-M和PLC-H。以PM6以及三种新聚合物为给体,BTP-BO-4Cl为受体制备有机太阳能电池,发现PM6具有最高的效率16.56%,而长烷基侧链聚合物的器件性能有一定程度的下降,小分子量PLC-L的器件效率为6.61%,而大分子量PLC-H的效率为13.24%。具有长烷基侧链的聚合物效率的降低,来源于形貌的变化。原子力显微镜测试表明,基于长烷基侧链聚合物的共混薄膜展现出大的相分离尺寸,而且随着分子量降低,相分离尺寸增大。值得注意的是,基于长烷基侧链聚合物电池的开路电压要高于短链聚合物,这是因为长烷基侧链增加了给/受体距离,降低了非辐射电压损失。通过将这四种聚合物给体进行水上拉伸性能测试,发现PM6的断裂伸长率仅有10.4%,而长烷基侧链聚合物随着分子量增加,断裂伸长率达到40%,160%与180%,表现出优异拉伸性能。该项研究表明,在聚合物的共轭结构中引入长烷基侧链,是改善共轭材料力学性能的有效方法。
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