自組裝嵌段共軛聚合物電解質(zhì)及超支化小分子陰極界面修飾應用于聚合物太陽電池.pdf

1、體相異質(zhì)結(jié)聚合物(BHJ)太陽能電池(PSCs)因其具有質(zhì)輕、柔韌性好、便于大面積卷對卷印刷等優(yōu)點引起了越來越多的關(guān)注。近年來，聚合物太陽能電池取得了較大的進步，能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)已超過13％。然而，聚合物太陽能電池要實現(xiàn)商業(yè)化大面積制備還需要解決一些科學問題，如電荷的分離、傳輸和收集效率低等限制了其大面積商業(yè)化生產(chǎn)。良好的界面接觸和優(yōu)異的界面層和活性層形貌非常重要。因此，需要設計一種能同時調(diào)控界面勢壘和提高活性層形貌的界面層。

2、r>　　共軛聚合物電解質(zhì)(CPEs)由離域的π共軛主鏈和功能化的極性側(cè)鏈組成。由于CPEs和活性層的正交溶解性可避免與憎水性的活性層互混。同時，由于CPEs和金屬電極之間存在靜電相互作用，可在界面形成偶極子，降低陰極的功函(WF)，有利于電荷提取和收集，從而提高器件的PCE。嵌段共軛聚合物因其兩端主鏈之間的不相容性和結(jié)晶性差異，嵌段共軛聚合物可自發(fā)自組裝成有序的納米結(jié)構(gòu)。如果將嵌段共軛聚合物和CPEs的在分子水平上結(jié)合，得到嵌段共軛聚合

3、物電解質(zhì)(DBCPEs)，它將具有許多新穎的性質(zhì)，如能形成有序的納米結(jié)構(gòu)、可降低金屬電極WF、降低界面勢壘和實現(xiàn)環(huán)境友好水/醇溶性加工等等。
　　首先，設計合成了兩種新型的DBCPEs，分別以芴和噻吩(PFEO-b-PTNBr)以及芴和咔唑(PFEO-b-PCNBr)為主鏈，功能化極性基團乙氧基鏈和季銨鹽為側(cè)鏈。將DBCPEs修飾ZnO不僅能夠很好地調(diào)控ZnO的功函，還能提高無機ZnO和有機活性層之間的界面相容性。此外，自組裝的D

4、BCPEs PFEO-b-PCNBr和PFEO-b-PTNBr還能作為模板進一步誘導上層活性層形成有序的納米纖維和納米柱狀結(jié)構(gòu)，促進電荷的提取和傳輸。ZnO/DBCPEs雙層電子傳輸層可同時提高器件的各項參數(shù)，包含開路電壓（Voc），短路電流（Jsc），填充因子（FF）和PCE。最終，以聚(3-己基噻吩)(P3HT):(6,6)-苯基-C61丁酸甲酯(PC61BM)活性層，以ZnO為電子傳輸層的器件效率為3.0%，以ZnO/PFEO-b

5、-PCNBr為電子傳輸層的器件效率提升至3.6%。由于ZnO/PFEO-b-PTNBr能形成更大的偶極子和更好的形貌表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能，器件效率提高至3.8%。此外，將ZnO/PFEO-b-PTNBr作為電子傳輸層，以PBDB-T:ITIC為活性層的器件效率高達10.8%。
　　接著，把性能更好的PFEO-b-PTNBr的結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，將側(cè)鏈的季銨鹽陽離子替換成體積更大的咪唑鹽陽離子，得到新的DBCPEs PFEO-b-PTIm

6、Br。將兩種PFEO-b-PTNBr和PFEO-b-PTImBr作為電子傳輸層應用于聚合物太陽能電池來研究不同末端陽離子對 ITO的功函和上層活性層的形貌和排列的影響。自發(fā)自組裝的PFEO-b-PTNBr和PFEO-b-PTImBr ETLs不僅能在ITO電極和活性層界面產(chǎn)生歐姆接觸，還能自組裝成蜈蚣狀模板進一步誘導活性層形成有利的face-on排列。通過電子順磁共振(EPR)測試，在兩種p-型主鏈的DBCPEs中均可觀察到n-型自摻雜

7、現(xiàn)象，并且PFEO-b-PTImBr比PFEO-b-PTNBr的EPR信號更強。最終，以P3HT:PC61BM為活性層，基于PFEO-b-PTNBr為ETL的器件效率升至3.1%，而基于PFEO-b-PTImBr的效率為3.5%。以PTB7-Th:PC71BM為活性層時，以ZnO/PFEO-b-PTNBr和ZnO/PFEO-b-PTImBr為電子傳輸層的器件效率分別為9.0%和9.4%?；赯nO/PFEO-b-PTNBr和ZnO/PF

8、EO-b-PTImBr電子傳輸層，以PTB7-Th:PC71BM為活性層的器件效率優(yōu)于傳統(tǒng)的已報道的經(jīng)典的PFN(8.4%)和PFNBr(8.4%) ETLs器件。
　　小分子電解質(zhì)(SMEs)具有重復性好、易提純和結(jié)構(gòu)固定等優(yōu)點。通過一步法簡單反應，我們首次報道了一種新型超支化小分子電解質(zhì)PNSO3Na，并將其作為電子傳輸層應用于聚合物太陽能電池。由于一摩爾的PNSO3Na含有七摩爾的丁基磺酸鈉，超支化PNSO3Na有機界面層能

9、提高界面接觸并能調(diào)節(jié)界面能級，提高器件效率。以P3HT:PC61BM為活性層，相對于ITO器件，以PNSO3Na為ETL的器件效率從0.8%提高到3.7%。當將ZnO/PNSO3Na作為電子傳輸層時，以PBDB-T:ITIC為活性層的器件效率高達11.2%。
　　集合超支化小分子電解質(zhì)（SMEs）和高電子親和勢材料的雙重優(yōu)勢，我們首次設計合成了兩種分別以四亞乙基五胺（PDIPN）和丁基磺酸鈉四亞乙基五胺（PDIPNSO3Na）為支

10、鏈的新型的苝酰亞胺衍生物作為電子傳輸層。由于極性支鏈的存在，兩種苝酰亞胺衍生物PDIPN和PDIPNSO3Na ETLs均能形成界面偶極，提高界面接觸。因為苝酰亞胺本身具有的高電子親和勢，PDIPN和PDIPNSO3Na均有來自于極化子的EPR信號峰，表明具有n-型自摻雜效應。此外，相對于PDIPNSO3Na，PDIPN具有更強的EPR強度，主要歸功于PDIPN中四亞乙基五胺支鏈具有更高的負電荷密度。因此，相對于PDIPNSO3Na，基