基于两种结构类型的宽带隙给体材料及其非富勒烯聚合物太阳能电池

作     者：安永康 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈义旺;谌烈

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚合物太阳能电池 聚合物给体 宽带隙 D-A-π型 D-A1-D-A2型 

摘      要：经过近数十年的发展,聚合物太阳能电池因具有重量轻、价格低、可室温溶液加工和可制备柔性器件等优势,其光伏器件的能量转化效率已经有了巨大的提高。目前,单节有机太阳能电池的器件效率已经超过14%。这种快速的发展得益于D-A型聚合物给体的设计理念,但是其仍然具有很多缺点如电流低、与强吸电子受体能级不匹配等,研究表明这并不是一种完美的给体结构类型。为进一步提高有机太阳能电池的转化效率,除了继续改善D-A型聚合物给体材料外,还应该加大对新的聚合物给体结构类型的开拓和研究。本文一共分为两个工作,分别设计并合成了基于D-A-π型和D-A-D-A型两种结构类型的宽带隙聚合物给体材料,并应用于非富勒烯聚合物太阳能电池中,为以后的给体设计提供一些参考。一方面,我们用2TC作为受体单元,设计并合成出两个新的D-A-π型非对称的宽带隙共轭聚合物给体PBDT-2TC和PBDT-S-2TC并应用在非富勒烯有机太阳能电池中。相比较于PB2T,在聚合物主干上减少一个酯基后形成的D-A-π型给体有效的减少了相邻基团间的空间位阻,极大地促进了π-π堆叠。在这两个聚合物材料中,我们调整了给体的HOMO能级使其与受体ITIC可以有一个合适的匹配性,基于这两种材料分别制备的光伏器件,电子和空穴传输也展现出了良好的平衡性。作为结果,基于PBDT-2TC的最佳器件获得了9.35%的器件效率,基于PBDT-S-2TC的最佳器件展现出高达10.12%的器件效率和一个0.96V非常高的开路电压。我们还将这两种材料应用在了非卤溶剂的加工上并获得了9.55%的效率。这一结果表明,这两种非对称的WBG共轭聚合物通过环境友好型溶剂加工,为以后的高效有机太阳能电池给体的设计提供了有意义的参考。另一方面,我们进一步的对D-A-D-A型给体进行研究并将其应用在非富勒烯聚合物太阳电池中,为此,我们设计了两个基于Bz T和3TDC作为缺电子基团,噻吩作为富电子基团并充当π桥的作用,合成出名为PB24-3TDC和PB68-3TDC的两个聚合物作为给体材料。结果表明,PB24-3TDC是一种宽带隙的给体聚合物材料,可以和非富勒烯受体材料ITIC-Th形成很好的光谱互补吸收,测得的能级也与其进行合适的匹配。基于PB24-3TDC:ITIC-Th共混做为活性层,在质量比为1:1.5,添加0.3%DIO的条件下,器件效率可以达到10.3%,相对应的开路电压为0.902 V,短路电流密度为16.8 mA cm,填充因子为68%。PB68-3TDC聚合物也是一种宽带隙给体材料,由于PB68-3TDC与PB24-3TDC在结构上只有侧链的烷基不同,其主干是一致的,所以在光谱吸收、电化学能级等方面测得的表征数据基本一致。但是PB68-3TDC的器件性能要比PB24-3TDC的稍差一些,在添加0.3%DIO后最佳器件只能做到7.88%,相对应的开路电压为0.994 V,短路电流为12.2 mA cm,填充因子为65%。相比较于D-A型给体,PB24-3TDC和PB68-3TDC具有更多的吸电子基团,能够更灵活的调节材料的分子能级结构,同样表现出优异的性能。这一结果表明,D-A-D-A型给体材料在聚合物太阳电池方面同样具有较大的潜力。