【摘 要】
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近年来,全聚合物太阳能电池由于其优异的稳定性得到科研人员的广泛关注。然而,基于全聚合物的光伏器件转换效率还存在一定的差距,需要进一步进行研究。本论文以全聚合物有机太阳能电池的器件制备为基础,主要研究了全聚合物太阳能电池的传输机理、器件表现与薄膜形貌之间的联系,聚合物材料结构对形貌以及性能的影响,主要研究内容如下:首先,我们系统深入研究了基于PCBM,非富勒烯小分子和共轭聚合物受体的有机太阳能电池的
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近年来,全聚合物太阳能电池由于其优异的稳定性得到科研人员的广泛关注。然而,基于全聚合物的光伏器件转换效率还存在一定的差距,需要进一步进行研究。本论文以全聚合物有机太阳能电池的器件制备为基础,主要研究了全聚合物太阳能电池的传输机理、器件表现与薄膜形貌之间的联系,聚合物材料结构对形貌以及性能的影响,主要研究内容如下:首先,我们系统深入研究了基于PCBM,非富勒烯小分子和共轭聚合物受体的有机太阳能电池的构效关系。选用了高效的聚合物受体N2200,经典富勒烯PCBM与高效小分子ITIC结合PBDB-T制备三类不同的有机太阳能电池。研究结果表面基于ITIC:PBDB-T的器件效率达到了 10.06%,基于N2200:PBDB-T的器件效率达到了 6.65%,然而基于PCBM:PBDB-T的器件效率仅为5.88%。对三类器件进行了时间分辨微波电导率的测试,结果表明N2200:PBDB-T的载流子迁移率最高、载流子寿命和扩散距离最长,但是薄膜形貌因素影响到了器件的光伏性能。在热应力作用下,全聚合物共混物中改进的结构可以提供更稳定的形貌,但是会牺牲一定的效率,采用更好的聚合物受体材料有望能改善聚合物共混物的形貌,进而提升器件的光伏性能。接着,我们探究了聚合物材料的侧链和主链结构对于活性层形貌以及全聚合物器件光伏性能的影响。我们对聚合物给体材料PT8进行系统的支链化学改性,通过引入烷硫基取代,以及氟取代等方式,制备了聚合物给体PT8,PTF8,PTS8,PTFS8,并分别与聚合物受体P（NDI2HD-T）进行共混制备全聚合物太阳能电池。在器件优化后基于PT8:P（NDI2HD-T）的器件得到了 1.05V高开路电压,8.00%的器件效率,其余的器件分别仅有4.01,3.65,和0.63%的器件效率,通过器件表现以及后续的电学性质以及薄膜性质的研究表明,PT8的氟取代以及烷硫链取代后,结晶度和聚集性会增加,所以表现出了较大尺寸的相分离,不利于电荷的分离以及电极对于电荷的收集,这些研究结果表明在设计材料的过程中需要考虑到分子的电学以及结晶动力学性质对聚合物太阳能电池效率的影响;同时,在本章中,我们探究聚合物受体的结构改变对于光伏性能与形貌的影响。调查IDIC-C16主骨架进行氟取代与氯取代等卤素取代方式后的新型的聚合物受体材料PIDIC2T2F,PIDIC2T2C1与非卤化材料PIDIC2T在器件表现上的差异。在分别与高效聚合物给体材料PBDB-T以及它的氟取代物PM6制备电池之后发现,卤化后的聚合物材料太阳能电池效率要明显优于非卤化物,同时PM6的引入导致了电池的开路电压更高,最终PIDIC2T2C1获得了 7.11%的最高效率。最后,我们初步研究了一类新型的全共轭嵌段聚合物PM6-b-PTY6的光伏性能。这类新型的聚合物材料可以作为作为固体添加剂加入到高效率PM6:Y6体系之中,我们希望借助聚合物材料的共混形貌的更优的稳定性来改进非富勒烯小分子体系的器件参数以及稳定性。在掺入5%（v/v）的聚合物PM6-b-PTY6后,器件的效率提升到14.36%,同时,器件的空气稳定性,氮气稳定性以及热稳定性都有一定程度的提升,表明共轭聚合物材提升有机太阳能电池稳定性方面的巨大潜力。综上所述,我们系统开展了基于全聚合物太阳能电池的形貌调控和器件优化工作,深入探究了材料结构对全聚合物混合薄膜的形貌的影响以及全聚合物太阳能电池的稳定性优势,为进一步提升全聚合物有机太阳能电池性能提供了新的实验路径。
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