论文部分内容阅读
近些年来,在海内外科研工作者的共同努力下,有机太阳能电池得到快速发展。其中,全聚合物太阳能电池由于成本低、重量轻、柔性、可大面积制作以及稳定性良好而备受关注。全聚物电池材料主要包括p-型聚合物给体和n-型聚合物受体,其中报道最多的p-型聚合物给体主要是基于苯并二噻吩（BDT）的聚合物给体材料。基于苯并二噻吩（BDT）的聚合物给体材料具有高空穴迁移率、刚性平面、有序的分子堆积、光吸收范围较宽、能级可调等内在特性有利于器件效率的提升。目前,提高全聚物太阳能电池的光电转换效率是全聚物太阳能电池研究中的焦点问题,全聚物太阳能电池中的聚合物相容性和聚合物给受体性能匹配又是提升光电转化效率的关键问题。为了获得高光电转换效率的全聚物电池,本文基于已报道的聚合物给体PBDTTPD和P（NDI2HD-T）体系,希望通过物理共混或化学共聚,寻找出性能优越的光敏活性层材料。本论文设计合成了基于噻吩并吡咯二酮（TPD）末端接有不同吸电子基团的有机小分子材料TPD-X,将不同含量的小分子材料以物理共混形式掺入聚合物PBDTTPD和P（NDI2HD-T）体系中组装全聚物太阳能电池。同时,本论文调节聚合物PBDTTPD给体中给体单元和受体单元间的比例进行化学共聚得到一系列（D）a-（A）b型无规（random）聚合物给体材料,通过对材料的筛选以及器件制备工艺的优化,期望获得更高效率的全聚合物太阳能电池。基于此,本论文进行了以下的工作:1.通过Knoevenagel缩合反应合成了基于噻吩并吡咯二酮的有机小分子材料TPD-RD、TPD-AC和TPD-CN。对三种小分子进行核磁、质谱、UV-Vis和CV表征。通过将不同含量三种小分子掺入聚合物给体PBDTTPD和聚合物受体P（NDI2HD-T）体系进行物理共混制备聚合物太阳能电池。当掺入量为3%时,三种小分子掺入后制备的器件性能最佳,器件效率分别为4.08%、3.86%、2.65%。结果表明,TPD-RD和TPD-AC的能级与聚合物给体PBDTTPD较匹配,TPD-RD和TPD-AC更适合作为PBDTTPD/P（NDI2HD-T）全聚物体系的掺杂剂。2.苯并二噻吩衍生物（BDT）作为给体单元、噻吩并吡咯二酮（TPD）为受体单元,通过调节BDT单元的含量并使用Stille偶联缩聚反应合成了一系列（D）a-（A）b型无规二元共聚物P（BDT）a（TPD）b给体材料。并对聚合物进行核磁、GPC、CV、UV-Vis、TGA、DSC和XRD表征。结果表明,随着BDT单元含量的增多,D-A有序交替聚合物的规整度得到一定程度的破坏,使聚合物的溶解性提高,在绿色溶剂甲基四氢呋喃溶解性良好。同时,由于BDT单元含量的增加,聚合物P（BDT）a（TPD）b材料光吸收向短波移动发生蓝移,一定程度填补了聚合物给体PBDTTPD和P（NDI2HD-T）体系在400-500 nm处的吸收缺陷。聚合物给受体之间形成良好的光吸收互补,将有利于器件短路电流密度的提高。聚合物给体P（BDT）a（TPD）b的HOMO与LUMO能级随着BDT含量的变化而发生轻微的变化,但是其HOMO与LUMO能级与受体P（NDI2HD-T）相应的能级之差均大于0.3 eV,可以提供足够的驱动力保证有效的激子分离。综上表明random型二元共聚物P（BDT）a（TPD）b是制备可绿色溶剂处理的高效全聚物太阳电池的良好给体材料。3.通过将random型二元共聚物给体P（BDT）a（TPD）b和聚合物受体P（NDI2HD-T）共混作为活性层初步制备器件,再测试器件性能并筛选出器件光电转换效率大于5%的聚合物给体PBDTTPD、P（BDT）8（TPD）7、P（BDT）5（TPD）4和P（BDT）3（TPD）2。然后进一步探究器件后处理工艺对器件性能的影响并优化出器件制备的最佳条件,优化后的器件光电转换效率分别对应为6.41%、5.95%、8.03%和6.43%。采用外量子效率（EQE）、空间电荷限制电流（SCLC）和原子力显微镜（AFM）研究器件光响应、迁移率、活性层形貌等性能。结果表明,P（BDT）5（TPD）4/P（NDI2HDT）全聚物体系在绿色非卤溶剂处理下获得厚膜高效率全聚物电池,为开发低成本、环境友好型、膜厚不敏感的高效率全聚合物太阳能电池提供新思路。