论文部分内容阅读
全聚合物太阳能电池由于其优异的形貌稳定性和机械鲁棒性,在大面积柔性器件的制备中具有巨大潜力。目前,高性能的聚合物受体较少,导致全聚合物太阳能电池的效率与小分子受体太阳能电池效率仍然存在一定差距。另一方面,从小面积器件到大面积器件,材料对印刷工艺的适应性差和效率损失大仍然是巨大的挑战。本论文主要基于对光伏材料结构与器件性能之间的关系理解,围绕改善聚合物受体的光谱吸收、优化活性层形貌,设计合成了一系列基于萘酰亚胺和二噻吩并噻吩[3.2-b]-吡咯并苯并噻二唑的聚合物受体,同时研究分子结构与性能之间的关系。具体研究工作和结果如下:1.通过无规共聚在高结晶NDI聚合物N2200中引入染料基团绕丹宁,并得到聚合物受体PNDI-2T-TR（5）和PNDI-2T-TR（10）。研究发现,染料基团的引入能够有效提高聚合物受体的光吸收系数,有利于短路电流(JSC)的提升;同时无规共聚能够有效调控聚合物的结晶性,优化活性层形貌。基于PBDB-T:PNDI-2T-TR（5）的器件在无添加剂和退火的条件下得到了8.13%的光电转化效率。2.为了进一步研究分子结构与活性层形貌的关系,我们围绕调控基于NDI聚合物的光谱吸收以及与给体的相溶性设计合成了两类聚合物受体。首先,我们通过无规共聚合成具有不同3,3’-二氟-[2,2’-联噻吩（2FT）摩尔比的NDI三元共聚物受体PNDI-2FT-0.1,PNDI-2FT-0.2和PNDI-2FT-0.3,可以观察到这些三元共聚物的吸收系数都有一定提高。同时无规共聚形成的三元共聚物与给体PBDB-T有更好的相容性。基于PBDB-T:PNDI-2FT-0.1的器件的光电转化效率达到了9.46%,并且表现出优异的厚度稳定性。随后,通过无规共聚引入TR和2FT单元,合成了一系列新型萘酰亚胺基三元聚合物受体PNDI-2FT-TRx（x=10,20）。由于TR单位与氟原子的协同作用,不仅提高了三元聚合物受体的吸收系数,而且优化了活性层形貌。基于PM6:PNDI-2FT-TR10器件的PCE达到了10.71%,是基于NDI体系全聚合物太阳能电池中的最高值之一。更重要的是,基于PM6:PNDI-2FT-TR10器件表现出较为优异的热稳定性和膜厚稳定性。3.为了缩小小面积器件到大面积器件性能的差距,我们提出采用非共轭聚合物分子设计策略来调控聚合物受体的结晶性以及机械性,我们合成了一系列非共轭聚合物受体（PTH-Y、PTClm-Y和PTClo-Y）。研究发现,非共轭聚合物受体可以有效地减少小面积旋涂法和大面积刮涂刷工艺之间的技术和效率差距,促进大面积柔性器件的制备。通过直接继承旋涂条件,基于PTClo-Y的刮涂器件达到了12.42%的光电转化效率,与旋涂加工器件效率（12.74%）相当。这种非共轭聚合物体系可以很好地应用于大面积制备柔性基底。大面积刚性器件和大面积柔性器件的光电转化效率分别达到11.94%和11.56%,这是通过刮涂工艺制备大面积柔性全聚合物太阳能电池的最高效率。此外,基于非共轭PTClo-Y的器件展现出良好的热稳定性和机械稳健性。这些结果表明,非共轭聚合物受体是非常有潜力应用于通过印刷方法制备高效、大面积和稳定的柔性全聚合物太阳能电池。4.为提高聚合物受体的吸收系数,我们将硒吩引入至受体中合成聚合物PYSe,同时为了调控聚合物与给体的相容性,通过无规共聚引入3-氯噻吩合成了一系列无规共聚受体PYSe-TClx（x=10,20和30）。当选择PBDB-T作为给体时,基于PBDB-T:PYSe-TCl20的全聚合物太阳能电池的效率最高为14.21%,JSC高达23.08 m A cm-2,优于PBDB-T:PYSe（12.45%）。为了进一步优化活性层形貌,我们选择PTClo-Y作为第三组分添加制备三元器件。当添加量为PBDB-T:PYSe-TCl20:PTClo-Y（1:1.1:0.1）时,器件效率提高至15.26%,主要的是FF提升至72.1%。更重要的是,PBDB-T:PYSe-TCl20:PTClo-Y在大面积（1.21cm2）器件中得到了很好的应用,其效率为13.81%,是基于刮涂大面积全聚合物太阳能电池的最高值。此外,基于PBDB-T:PYSe-TCl20:PTClo-Y的全聚合物太阳能电池具有良好的热稳定性,有利于未来大规模制备。