A-A型有機(jī)太陽(yáng)能電池給體材料的合成及光伏性能研究.pdf

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池(OPVs)因其材料易得、合成成本低、柔韌性好以及可溶劑化大面積制備等特點(diǎn)，具有巨大的應(yīng)用潛力，成為了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。其能量轉(zhuǎn)換效率得到了一定程度的提高，但想要將其產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。有機(jī)太陽(yáng)能電池性能主要取決于活性層的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，因此活性層材料的開(kāi)發(fā)一直是有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和突破點(diǎn)。本論文以有機(jī)太陽(yáng)能電池給體材料為研究對(duì)象，提出了一種Acceptor-Acceptor(A-A)型共軛給體材料的設(shè)計(jì)

2、方法，將兩個(gè)缺電子單元引入到材料的共軛主鏈，合成出了一系列A-A型聚合物、小分子給體材料并對(duì)其光伏性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為有機(jī)太陽(yáng)電池給體材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。主要研究結(jié)果如下:
　　1.設(shè)計(jì)并合成出一種基于兩個(gè)吸電子單元diketopyrrolopyrrole(DPP)和pentacyclic lactam(PCL)的A-A型窄帶隙聚合物PDPP2TPCL。研究表明兩個(gè)吸電子單元的引入能夠有效拓寬聚合物的吸收光譜，降低聚合物的

3、能級(jí)。有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)測(cè)試的結(jié)果表明聚合物具有0.81cm2V-1s-1的高空穴遷移率。以其作為給體、富勒烯衍生物[6，6]-4-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)作為受體制備有機(jī)太陽(yáng)電池得到了4.7％的光電能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)和0.65eV的能量損失。
　　2.以PDPP2TPCL為基礎(chǔ)，通過(guò)引入甲基對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，合成出了兩個(gè)新的A-A型共軛聚合物。研究發(fā)現(xiàn)甲基噻吩的引入能夠適當(dāng)提升聚合物的能級(jí)，使聚合物的

4、吸收產(chǎn)生輕微的藍(lán)移，但其在OFET中仍具有相近的空穴遷移率。將其作為給體材料應(yīng)用到有機(jī)太陽(yáng)能電池中，結(jié)果顯示，含甲基的聚合物的器件活性層具有更好的相分離尺寸，器件短路電流得到了顯著提升，PCE從4.2％提升到了6.1％。研究結(jié)果表明，通過(guò)分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與細(xì)微調(diào)控能夠有效改變材料的能級(jí)和微觀形貌，從而提升材料的光電性能。
　　3.沿用A-A型共軛給體材料的設(shè)計(jì)策略，設(shè)計(jì)并合成出一個(gè)基于上述強(qiáng)吸電子單元DPP和弱吸電子單元PCL的窄帶

5、隙小分子給體材料PCLDPP。研究發(fā)現(xiàn)A-A型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠使共軛小分子具有較短共軛主鏈的同時(shí)得到較窄的能量帶隙和較寬的吸收光譜。以PCLDPP作為給體、PC61BM作為受體制成的OPV器件得到了4.8％的PCE，而以非富勒烯小分子做為受體的電池器件得到了2.4％和3.5％的PCE，表明以多個(gè)缺電子基團(tuán)為骨架設(shè)計(jì)合成的共軛小分子在有機(jī)太陽(yáng)能電池中具有一定的應(yīng)用潛力。通過(guò)對(duì)器件性能與形貌的研究表明，載流子遷移率不匹配以及相分離尺寸過(guò)大等缺