【摘 要】
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有机太阳能电池具有质轻、柔性、半透明、可大面积印刷制备等诸多优点,是一种具有重大应用前景的绿色能源技术。近年来,随着新材料,特别是A-D-A结构光伏材料的设计开发,与器件工艺的提升,有机太阳能电池的能量转换效率不断获得突破。本论文围绕A-D-A结构受体材料的设计与合成及其光伏器件的制备和优化开展研究。论文研究内容主要分为以下四个部分:一、以高效率叠层器件为研究对象,提出一个半经验模型,分析预测了有
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有机太阳能电池具有质轻、柔性、半透明、可大面积印刷制备等诸多优点,是一种具有重大应用前景的绿色能源技术。近年来,随着新材料,特别是A-D-A结构光伏材料的设计开发,与器件工艺的提升,有机太阳能电池的能量转换效率不断获得突破。本论文围绕A-D-A结构受体材料的设计与合成及其光伏器件的制备和优化开展研究。论文研究内容主要分为以下四个部分:一、以高效率叠层器件为研究对象,提出一个半经验模型,分析预测了有机叠层（双结器件）太阳能电池可能达到的最高效率以及对相应的光伏材料的要求。以此为指导,选取吸光互补的A-D-A结构分子F-M和O6T-4F分别作为前后子电池的受体材料,构筑了以PBDB-T:F-M作为前电池,PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM作为后电池的叠层器件。因上述前后子电池吸收光谱互补且覆盖了300-1050 nm的范围,外量子效率较高且能量损失较低,该叠层器件经优化获得了17.36%的效率。二、采用平衡叠层器件开路电压和短路电流密度的设计理念,构筑了基于同一给体、两个吸光互补受体的高效率叠层器件。为提高子电池的开路电压,采用低HOMO能级的聚合物PBDB-T作为给体材料;为提高器件的短路电流密度,选取光谱吸收互补的受体分子F-M和NNBDT作为子电池的受体材料。最终,经优化,叠层器件获得了14.52%的效率,开路电压高达1.82 V,短路电流密度为10.68 mA cm-2。三、在单结器件半经验模型指导下,以A-D-A结构受体分子3TT-OCIC为研究对象,将其双氯取代的双氰基茚满二酮（INCN）端基换为双氟取代的INCN端基,减去中间“D”单元中的一个噻吩单元,设计合成了两个受体分子6T-OFIC和5T-OFIC。经过器件优化,基于PM6:5T-OFIC的器件获得了13.43%的效率,高于PM6:6T-OFIC体系的12.35%。当将受体分子F-2Cl作为第三组分加入PM6:5T-OFIC体系后,此三元单结器件获得了高达15.45%的效率。四、在受体分子F-2Cl的中间单元引入氧原子,设计合成了吸光更为红移、堆积性能更强的受体分子FO-2Cl,并以分子C8-C-F作为给体材料,制备了全小分子器件。采用热退火处理的方式有效调控了活性层的相分离,与未经热退火处理的器件相比,基于热退火处理的器件填充因子和短路电流密度大幅度提升,器件效率从0.64%提升到13.91%。在此基础上,选用堆积性能更强的BSFTR作为给体材料,基于BSFTR:FO-2Cl的器件经热退火处理获得了15.34%的效率。
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