自組裝調控聚合物太陽能電池的微觀形貌及其穩(wěn)定性的研究.pdf

1、聚合物太陽能電池與商業(yè)化的硅太陽能電池相比,具有重量輕、價格低、可柔性襯底加工等優(yōu)勢而受到廣泛關注。然而,聚合物太陽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,其器件效率有待進一步提升。電池活性層的納米級微觀形貌是影響有機太陽能電池效率的關鍵因素之一。有序的納米結構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。另外考慮到太陽能電池長期在高溫的陽光下運轉,提高器件的穩(wěn)定性也非常重要。此外,盤狀液晶分子因自組裝形成柱狀

2、結構而具有超高的電荷傳輸性能,開展利用其優(yōu)越的自組裝性能來調控有機太陽能電池的微觀結構,可以獲得納米尺寸的微相分離,從而提高電池的光電轉換效率。
　　首先,我們設計并合成了一種新型的盤狀液晶配體TP-S來修飾ZnO納米粒子,并將修飾的TP-S@ZnO復合材料與P3HT作為活性層,應用到雜化太陽能電池中。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P3HT鏈的有序性和結晶性也起了重要的作用。X射線衍射和廣角X射線散射測試結果表明了TP-S的自組裝能夠促進P3HT鏈在活性層中形成高度有序的薄層結構?？偠灾?通過TP-S修飾ZnO表面并在熱處理后,其雜化太陽能電池的能量轉換效率從0.46％提升到0.95%。因此,通過盤狀液晶分子界面修飾來調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狀液晶功能化的嵌段聚噻吩聚合物(P3HT-b-P3TPT)。通過原子力顯微鏡和透射電鏡研究了這些聚合物的自組裝結構。這些納米結構的結晶尺寸可以通過調控 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射線衍射結果表明了這些聚合物組裝的納米結構與分子作用和液晶取向相關聯(lián)。當P3HT/P3T

5、PT的比例為6/1且在溶劑退火和熱退火后,其納米纖維的結晶尺度達到了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和盤狀液晶小分子PDI)組成的活性層的形貌對于器件性能的影響?；赑3HT-b-P3TPT:PCBM的器件效率都比較低,這主要歸因于 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,器件性能明顯地提高了,這主要是因為接枝在P3

6、HT上的盤狀液晶TP和PDI盤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的相分離微觀結構。
　　最后,考慮到太陽能電池長時間運轉在高溫環(huán)境下,提高太陽能電池的穩(wěn)定性迫切需要。過去研究可通過引入交聯(lián)基團在熱或光的條件下交聯(lián)形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡結構,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)基團對形貌和穩(wěn)定性的影響。本文設計了通過將不同的可交聯(lián)基團乙烯基、疊氮基團和溴基團引進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)基團對太陽能電池的穩(wěn)定性的影響。與乙烯基相比,疊氮基團和溴基團能很快交聯(lián)并形成密集穩(wěn)定的網(wǎng)絡,其中溴基團的交聯(lián)效果更明顯,這主要歸因于各種交聯(lián)基團的交聯(lián)機制和交聯(lián)速率不一樣。實驗結果發(fā)現(xiàn),沒有交聯(lián)的標樣(PBT:PCBM)在150 ℃退火80 h后,其器件效率降低到原始效率的10%,而基于溴基團和疊氮基團交聯(lián)的器件(PBT