自組裝調(diào)控聚合物太陽(yáng)能電池的微觀(guān)形貌及其穩(wěn)定性的研究.pdf

1、聚合物太陽(yáng)能電池與商業(yè)化的硅太陽(yáng)能電池相比,具有重量輕、價(jià)格低、可柔性襯底加工等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。然而,聚合物太陽(yáng)能電池的器件效率依然不夠理想,因此在工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)化之前,其器件效率有待進(jìn)一步提升。電池活性層的納米級(jí)微觀(guān)形貌是影響有機(jī)太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵因素之一。有序的納米結(jié)構(gòu)有利于激子的分離與傳輸,從而提高了器件的光電流和效率。另外考慮到太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期在高溫的陽(yáng)光下運(yùn)轉(zhuǎn),提高器件的穩(wěn)定性也非常重要。此外,盤(pán)狀液晶分子因自組裝形成柱狀

2、結(jié)構(gòu)而具有超高的電荷傳輸性能,開(kāi)展利用其優(yōu)越的自組裝性能來(lái)調(diào)控有機(jī)太陽(yáng)能電池的微觀(guān)結(jié)構(gòu),可以獲得納米尺寸的微相分離,從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　首先,我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一種新型的盤(pán)狀液晶配體TP-S來(lái)修飾ZnO納米粒子,并將修飾的TP-S@ZnO復(fù)合材料與P3HT作為活性層,應(yīng)用到雜化太陽(yáng)能電池中。TP-S修飾的ZnO納米粒子具有優(yōu)越的分散性,特別是在熱退火后,主要源于TP-S盤(pán)子的超分子自組裝功能。TP-S配體能夠有效地改善

3、P3HT聚合物和ZnO粒子之間的相容性,這有利于電荷的分離和傳輸。另一方面,界面修飾分子TP-S對(duì)P3HT鏈的有序性和結(jié)晶性也起了重要的作用。X射線(xiàn)衍射和廣角X射線(xiàn)散射測(cè)試結(jié)果表明了TP-S的自組裝能夠促進(jìn)P3HT鏈在活性層中形成高度有序的薄層結(jié)構(gòu)?？偠灾?通過(guò)TP-S修飾ZnO表面并在熱處理后,其雜化太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率從0.46％提升到0.95%。因此,通過(guò)盤(pán)狀液晶分子界面修飾來(lái)調(diào)控聚合物與納米晶之間的相容性,提高光電器件的性

4、能,是一種可行并且有效的途徑。
　　然后,為了調(diào)控聚合物組裝形成納米纖維形貌以提高電荷傳輸性能,本文還合成了一種新型的盤(pán)狀液晶功能化的嵌段聚噻吩聚合物(P3HT-b-P3TPT)。通過(guò)原子力顯微鏡和透射電鏡研究了這些聚合物的自組裝結(jié)構(gòu)。這些納米結(jié)構(gòu)的結(jié)晶尺寸可以通過(guò)調(diào)控 P3HT/P3TPT段的比例以及使用不同的退火處理,如熱退火和溶劑退火。X射線(xiàn)衍射結(jié)果表明了這些聚合物組裝的納米結(jié)構(gòu)與分子作用和液晶取向相關(guān)聯(lián)。當(dāng)P3HT/P3T

5、PT的比例為6/1且在溶劑退火和熱退火后,其納米纖維的結(jié)晶尺度達(dá)到了16.9 nm。另外,我們還研究了液晶聚合物P3HT-b-P3TPT與不同的受體(富勒烯衍生物PCBM和盤(pán)狀液晶小分子PDI)組成的活性層的形貌對(duì)于器件性能的影響。基于P3HT-b-P3TPT:PCBM的器件效率都比較低,這主要?dú)w因于 P3HT-b-P3TPT和 PCBM之間存在大尺寸的相分離。而PDI替代PCBM作為受體時(shí),器件性能明顯地提高了,這主要是因?yàn)榻又υ赑3

6、HT上的盤(pán)狀液晶TP和PDI盤(pán)狀液晶分子之間存在π-π相互作用,有利于活性層自組裝形成納米級(jí)的相分離微觀(guān)結(jié)構(gòu)。
　　最后,考慮到太陽(yáng)能電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)在高溫環(huán)境下,提高太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性迫切需要。過(guò)去研究可通過(guò)引入交聯(lián)基團(tuán)在熱或光的條件下交聯(lián)形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高活性層形貌的穩(wěn)定性,但它們都是只研究了單一的交聯(lián)基團(tuán)對(duì)形貌和穩(wěn)定性的影響。本文設(shè)計(jì)了通過(guò)將不同的可交聯(lián)基團(tuán)乙烯基、疊氮基團(tuán)和溴基團(tuán)引進(jìn)到窄帶隙共聚物聚苯并[1,2-b:4

7、,5-b']二噻吩-alt-4,6-噻吩并[3,4-b]噻吩(PBT)側(cè)鏈上,在光照條件下交聯(lián),系統(tǒng)地研究不同的交聯(lián)基團(tuán)對(duì)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性的影響。與乙烯基相比,疊氮基團(tuán)和溴基團(tuán)能很快交聯(lián)并形成密集穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò),其中溴基團(tuán)的交聯(lián)效果更明顯,這主要?dú)w因于各種交聯(lián)基團(tuán)的交聯(lián)機(jī)制和交聯(lián)速率不一樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),沒(méi)有交聯(lián)的標(biāo)樣(PBT:PCBM)在150 ℃退火80 h后,其器件效率降低到原始效率的10%,而基于溴基團(tuán)和疊氮基團(tuán)交聯(lián)的器件(PBT