【摘 要】
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有机太阳能电池（OSCs）相较于传统硅太阳能电池具有成本低、柔性好、可溶液加工、与大面积加工技术相兼容等独特优势,可以应用于建筑/汽车半透明智能窗系统或可穿戴便携式能源供给设备等,受到了学术界和产业界的广泛关注。近年来,得益于新型光伏材料的设计研发和器件结构的不断优化,有机太阳能电池得到突飞猛进的飞速发展,其能量转化效率也不断的得到突破,目前已经在实验室中获得了超过18%能量转换效率的有机太阳能电
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有机太阳能电池（OSCs）相较于传统硅太阳能电池具有成本低、柔性好、可溶液加工、与大面积加工技术相兼容等独特优势,可以应用于建筑/汽车半透明智能窗系统或可穿戴便携式能源供给设备等,受到了学术界和产业界的广泛关注。近年来,得益于新型光伏材料的设计研发和器件结构的不断优化,有机太阳能电池得到突飞猛进的飞速发展,其能量转化效率也不断的得到突破,目前已经在实验室中获得了超过18%能量转换效率的有机太阳能电池,并且还有继续提升的潜力。然而,目前有机太阳能电池的材料开发相关工作主要集中在高效非富勒烯受体（NFAs）材料的设计和合成,而针对高效聚合物给体材料的研究相对较少;同时,目前常用的高效聚合物给体材料分子结构通常较为复杂,其合成需要经历繁多的步骤并且产率较低,这势必会增加有机太阳能电池的生产成本,使得其丧失了价格低廉的优势,不利于有机太阳能电池的大规模商业化应用。使用具有简单分子结构的聚合物给体（如P3HT、PCDTBT等）来构建高效的有机光伏电池器件是降低有机太阳能电池的材料成本和促进有机太阳能电池实际商业应用的重要途径之一。鉴于此,本论文主要采用廉价的共轭聚合物PCDTBT及其衍生物作为电子给体材料和高效的非富勒烯受体Y6作为电子受体材料,系统研究了PCDTBT-OR:Y6混合薄膜的光电性质,并基于此共混薄膜制备了有机太阳能电池,探究了不同加工条件和聚合物分子量对PCDTBT:Y6体系电池器件性能的影响,分析了限制该体系光伏性能的关键因素;进一步的,针对PCDTBT:Y6共混体系中空穴迁移率低、电荷传输不平衡的问题,我们通过向聚合物给体PCDTBT-OR中加入少量的PC71BM,利用固溶体效应提高空穴迁移率,研究少量的PC71BM对有机太阳能电池器件性能、薄膜微观结构以及光物理过程的影响;探索了PCDTBT-OR:Y6二元器件与PCDTBT-OR:PC71BM:Y6三元器件的工作机制和能量转换效率提高的原因。主要研究内容如下:1.采用具有简单分子结构的共轭聚合物PCDTBT及其衍生物PCDTBT-OR作为电子给体材料和高效的非富勒烯受体Y6作为电子受体材料,制备二元体系有机太阳能电池。利用PCDTBT和Y6互补的吸收光谱,在400-900 nm范围内实现高效的光吸收;利用PCDTBT和Y6相匹配的能级结构,实现高效的电荷分离。通过对加工溶剂、给/受体比例、聚合物分子量等实验条件进行优化,最终在给体:受体=1.5:1、o-DCB作为溶剂时器件取得最佳性能,基于PCDTBT:Y6（1.5:1）二元体系有机太阳能电池获得了6.91%的能量转换效率（PCE）;基于PCDTBT-OR:Y6（1.5:1）二元体系有机太阳能电池的PCE为6.68%。聚合物分子中引入烷氧基侧链有助于改善其在溶剂中的溶解性,便于溶液加工,因此之后的工作均基于PCDTBT-OR体系展开。通过SCLC方法对二元共混体系的电荷迁移率进行表征,结果表明二元共混薄膜中空穴迁移率远低于电子迁移率,不平衡的电荷传输是限制该体系器件光伏性能的关键因素。2.针对二元共混薄膜中空穴迁移率较低的问题,我们提出通过向其中加入少量的PC71BM,利用固溶体效应改善空穴传输进而提高器件光伏性能。由于PC71BM和PCDTBT-OR之间更好的热力学混溶性,PC71BM倾向于分散在无定形PCDTBT-OR相中形成固溶体。相对于纯PCDTBT-OR薄膜,PCDTBT-OR:PC71BM固溶体具有更高的空穴迁移率;并且由于PCDTBT-OR:PC71BM的固溶体效应,使得含有少量PC71BM的三元共混物的空穴迁移率也显著提高。因此,三元共混物PCDTBT-OR:PC71BM:Y6具有更好的电荷提取效率,其中的双分子复合得到有效抑制。同时,光物理分析表明三元共混薄膜中的空穴转移过程更加有效。最终,PCDTBT-OR:PC71BM:Y6（1.5:0.2:1）的三元有机太阳能电池器件实现了8.42%的能量转换效率,高于二元PCDTBT-OR:Y6有机太阳能电池器件（PCE=6.82%）。这也是基于PCDTBT:NFAs的OSCs的能量转换效率最高值之一。这项工作表明,分子结构简单的聚合物给体PCDTBT及其衍生物有潜力与高效的非富勒烯受体结合,制备高效的有机太阳能电池,为实现有机光伏电池的低成本应用提供一种简单有效的途径。
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