基于“非合金模型”的三元有机太阳能电池的研究

作     者：倪永峰 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李灿

授予年度：2022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：有机太阳能电池 三元策略 混溶性 非合金模型 

摘      要：有机太阳能电池作为新型的清洁可再生能源技术之一,吸引了研究人员的广泛关注。有机太阳能电池质量轻,制备工艺简单,可以制成彩色、柔性、半透明的器件。经过研究人员的不断探索,单结器件的能量转换效率已经超过18%,具有非常大的发展潜力和应用前景。为了进一步提升有机太阳能电池的性能,简单又有效的三元策略被开发了出来,掺入的第三组分不仅可以拓宽活性层的光谱吸收范围,还可以调节活性层形貌、促进激子解离、改善电荷迁移率、抑制电荷复合。虽然三元有机太阳能电池近年来被广泛关注,但是新型材料的合成以及第三组分与主体材料间的共混行为还有待进一步研究。本论文基于目前高效的PM6:Y6体系,合成了新型的小分子材料对其进行掺杂,获得了器件性能的进一步提升,并通过探究第三组分与主体材料之间的混溶性提出了“非合金模型的概念。具体研究内容包括:（1）设计并合成了与Y6混溶性较好的小分子材料BTP-ClOH,将其作为第三组分应用到PM6:Y6体系中,提升了器件效率。BTP-ClOH与PM6和Y6的吸收光谱互补,体系的光子利用率得以提升,因此短路电流密度从26.3 mA cm-2提升到了 26.9mA cm-2。同时,BTP-ClOH的LUMO能级比Y6更高,可与给受体材料形成“阶梯型的能级结构,起到了提升开路电压的作用。在最优的掺杂比例下,基于PM6:Y6:BTP-ClOH的三元器件的能量转换效率可以达到16.2%,但其对第三组分掺杂含量的容忍度较低,掺杂比例较高时器件性能会显著降低。（2）为了解决上述体系中掺杂容忍度较低的问题,设计并合成了与Y6混溶性适中的小分子材料BTP-MCA,将其作为第三组分应用到PM6:Y6体系中,提升了器件的效率和稳定性,并提出了基于三元体系的新模型一一“非合金模型。BTP-MCA和Y6具有部分相似的结构但基本性质有所差异,因此在三元薄膜中,BTP-MCA没有与Y6形成均匀的混合相而是处于PM6和Y6的界面处。BTP-MCA不仅可以通过福斯特能量转移来提升器件开路电压,还可以填补部分缺陷并促进电荷传输来提升短路电流和填充因子。基于PM6:Y6:BTP-MCA的三元器件经过优化后,能量转换效率可以达到17.0%,其对第三组分的掺杂含量具有高的容忍度,同时最优三元器件的稳定性也得到了提升。