共軛聚合物光伏材料的設(shè)計(jì)合成及其光伏器件的制備與優(yōu)化.pdf

1、在聚合物光伏電池領(lǐng)域中，共軛聚合物光伏材料的設(shè)計(jì)、合成及其器件制備工藝的研究始終是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)聚合物的分子結(jié)構(gòu)，可以有效調(diào)控聚合物的物理化學(xué)性能;通過(guò)優(yōu)化器件制備工藝，可以有效控制活性層的形貌，從而達(dá)到提高器件的光伏性能的目的。本論文圍繞新型高效共軛聚合物光伏材料的設(shè)計(jì)、合成及其光伏器件制備工藝優(yōu)化，開(kāi)展了博士期間的研究工作。
　　1.將喹喔啉卟啉作為一種短波區(qū)域的吸光單元，引入到給體-受體型共軛聚合物中。通過(guò)S

2、tille偶聯(lián)聚合反應(yīng)，設(shè)計(jì)合成了一系列基于喹喔啉卟啉、聯(lián)噻吩和吡咯并吡咯二酮的共軛聚合物，使得聚合物在短波區(qū)域的光譜吸收明顯增強(qiáng)，并且不會(huì)影響聚合物的帶隙和電子能級(jí)，解決了一般聚合物中推-拉電子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法在高開(kāi)路電壓與短路電流之間取得平衡的矛盾?；赑(QP1-BT-DPP4)制得的光伏器件具有5.07％的能量轉(zhuǎn)換效率，短路電流達(dá)到了11.85 mA/cm2，并且保持了高的開(kāi)路電壓和填充因子。所獲得的5.07％的能量轉(zhuǎn)換效率比基于

3、不含喹喔啉卟啉的P(BT-DPP)制備的同類器件提高了3倍以上。
　　2.通過(guò)Stille偶聯(lián)聚合反應(yīng)，設(shè)計(jì)合成了以喹喔啉卟啉為電子受體、三聯(lián)噻吩為電子給體的給體-受體型共軛聚合物，制備了本體異質(zhì)結(jié)型(BHJ)光伏器件，系統(tǒng)研究了給/受體共混比例、溶劑添加劑、熱退火和溶劑退火等器件制備工藝條件對(duì)器件性能的影響規(guī)律。利用配體添加劑Bipy成功實(shí)現(xiàn)對(duì)喹喔啉卟啉基聚合物光伏電池活性層形貌的有效調(diào)控。使用1％的Bipy作為P(QP-TT-

4、Zn)∶PC71BM共混膜的溶劑添加劑，通過(guò)Bipy中的氮原子和P(QP-TT-Zn)中卟啉環(huán)中心鋅原子之間的配位作用，可以誘導(dǎo)膜進(jìn)行更加有序的排列，改善膜形貌，由此將器件的能量轉(zhuǎn)換效率從0.85％提高到2.17％。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)使用熱退火和溶劑退火的后處理工藝優(yōu)化器件活性層混合膜的形貌，使其能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高到3.51％，這是目前國(guó)際上基于卟啉類共軛聚合物光伏器件的最高效率。
　　3.提出了一種利用多功能封端劑對(duì)給體-受體

5、型共軛聚合物進(jìn)行修飾的新方法。通過(guò)“一步法”封端的Stille偶聯(lián)聚合反應(yīng)，設(shè)計(jì)合成了分別用噻吩、喹喔啉卟啉和喹喔啉卟啉鋅封端的基于聯(lián)噻吩和吡咯并吡咯二酮的給體-受體型共軛聚合物。封端劑的使用，有效減少了光伏聚合物中殘留端基作為結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)光伏器件產(chǎn)生的不利影響。特別是在400-550nm區(qū)域內(nèi)有超強(qiáng)光譜吸收的喹喔啉卟啉和喹喔啉卟啉鋅封端劑的使用，在消除聚合物端基缺陷的同時(shí)，還能有效解決傳統(tǒng)給體-受體型光伏聚合物在短波區(qū)域吸收不足的問(wèn)題，

6、從而提高器件的短路電流。結(jié)合使用溶劑添加劑DIO、配體添加劑Bipy和熱退火等器件優(yōu)化方法，基于P(BT-DPP)-QPZn制備的BHJ器件的能量轉(zhuǎn)換效率從封端前的2.92％提高到了4.45％。配體添加劑Bipy上的氮原子和金屬卟啉鋅之間的配位作用，對(duì)共混膜中光伏聚合物的形貌起到了鎖合作用，改善了器件的穩(wěn)定性，因此器件經(jīng)過(guò)一定時(shí)間熱老化后，其能量轉(zhuǎn)換效率的保持率從61％提高到了76％。
　　4.針對(duì)新型疊層光伏器件中前電池材料僅P