聚合物的分子结构和器件制备方法影响光伏性能的研究

作     者：蒋秋菊 

作者单位：汕头大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武庆贺

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：噻吩稠合萘单酰亚胺 逐层沉积 溶解度 分子间相互作用力 热稳定性 

摘      要：随着全球人口的增加,化石能源消耗也日益增加。太阳能因为其得天独厚的优势,如可再生、绿色环保无污染,来源丰富被认为是未来最有前途的清洁能源之一。在所有太阳能电池种类中,有机太阳能电池（OSCs）由于其器件结构简单、重量轻和可柔性等优点吸引了国内外大量科研人员的注意。近几年,随着非富勒烯受体的出现,特别是ITIC、Y6及其衍生物的出现,最高水准的二元OSCs器件的光电转化效率（PCE）已经超过18%。OSCs器件性能的提高除了归因于材料的研发,还与器件结构和形貌优化息息相关。本文主要聚焦于聚合物给体材料的光电物理性质和器件制备方法对光伏器件性能的影响,取得的成果如下:1)聚合物的溶解度影响逐层沉积器件光伏性能的机制研究:聚合物PNTB6-Cl不溶于氯仿,基于PNTB6-Cl:N3逐层沉积有机太阳能电池（LBL-OSCs）器件的PCE为17.59%,远高于基于PNTB-Cl:N3 LBL-OSCs器件的15.24%和基于PM6:N3控制器件的16.20%。重要的是,PNTB6-Cl优异的批次重复性克服了聚合物给体依赖批次的问题,表明PNTB6-Cl是一种很有前途的聚合物给体。揭示了聚合物的溶解度影响光伏器件性能的机制:在电子受体N3的旋涂中,无定形区的聚合物被清洗掉,留下结晶区域,从而更有利于电子受体的渗入,使LBL膜表面更加光滑,荧光猝灭效率更高;而易溶于氯仿的PNTB-Cl,在沉积电子受体过程中无差别的清洗无定形区和结晶区域。聚合物的溶解度特性可以显著影响LBL-OSCs的电子受体渗入、相分离和光伏性能,该研究对高性能聚合物给体的设计具有重要的指导意义。2)揭示影响光伏性能和器件稳定性的聚合物分子结构因素,对指导聚合物给体材料的合理设计至关重要。通过提高平面性增强π-π堆积是设计聚合物给体材料最常用的策略,不同于该策略,本工作揭示:增强聚合物的分子间相互作用可以显著提高光电转换效率和器件热稳定性。由于共轭链的扭曲,基于NTI的聚合物共轭链通过原子间弱相互作用堆积,而非π-π堆积。降低NTI上的烷基链位阻可以显著增强C=O与H-C间的范德华力,促使PNTB-HD在固体膜中具有更紧密的堆积和氯仿溶液中显示出更强的自聚集效应,从而产生更有效的荧光猝灭率、良好的活性层形貌和更高的载流子迁移率。因此,基于PNTB-HD:N3的两组分光伏器件具有18.15%的PCE,远远高于PNTB-2T:N3的16.77%和PM6:N3的16.28%。且在连续热退火条件下,展现出更优异的热稳定性,PNTB-HD:N3在65℃,128 h热退火后保持了82.9%的初始效率,而PNTB-2T:N3的仅保持73.1%初始效率。本研究说明:聚合单体中引入电负性大的原子且促进更强分子间作用力的形成是合成高性能聚合物给体材料的新策略,这对今后开发高效、热稳定好的OSCs聚合物给体材料具有重要的指导作用。