三元无规共聚改性PM6及其光伏应用研究

作     者：熊如意 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡昱;袁忠义

授予年度：2024年

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

主      题：有机太阳能电池 给体聚合物 三元无规共聚 开路电压 

摘      要：有机太阳能电池（OSCs）具有柔性、可低成本溶液处理和质量小等优点,受到科研人员的广泛关注。活性层材料是提高有机太阳能电池能量转化效率的重要因素。三元无规共聚是一种简单有效的分子结构设计和合成高效聚合物给体的方法,通过将第三单元引入聚合物主链,可以方便的调节其吸收光谱、能级和形貌,从而达到提高PCE的目的。本研究针对给体聚合物材料PM6能级偏高的问题,利用三元无规共聚的方法设计并合成了一系列的聚合物给体材料。具体研究内容如下: 1.采用高性能给体材料PM6作为母体,以吸电子单元二氰基苯作为第三单元引入PM6中。采用三元无规共聚策略合成了三种D-A1-D-A2型三元无规共聚物给体材料PM6-CN10、PM6-CN15和PM6-CN20,总收率分别为15.37%,13.66%和15.46%。二氰基苯单元上具有两个强吸电子的氰基可以有效的降低聚合物的HOMO能级,对应的HOMO能级分别为-5.55,-5.60和-5.68 e V。这有利于以聚合物为给体的OSCs获得更高的开路电压,相应的器件开路电压为0.85,0.87和0.88 V。其中,基于PM6-CN15:Y6的有机太阳能电池得到了15.90%的能量转化效率,开路电压为0.87 V,短路电流为25.04 m A cm-2,填充因子为73.47%。 2.聚合物给体的氟化是一种制造高效有机太阳能电池广泛采用的方法。第二个研究通过将不同比例的五氟乙基酯取代的苯单元引入高效的聚合物给体PM6中,利用五氟乙基的强吸电子能力降低聚合物的HOMO能级,设计并合成了PM6-CF5、PM6-CF10和PM6-CF15三种新的聚合物给体材料,总收率分别为28.06%,26.67%和25.15%。结果发现,三种聚合物的HOMO能级较PM6均有下降,并且随着五氟乙基基团引入比例的增大,聚合物的HOMO能级依次降低,三种聚合物的HOMO能级范围为-5.61至-5.67 e V。HOMO能级降低使得器件的开路电压增大,相应有机太阳能电池器件的开路电压范围为0.85至0.88 V。其中,PM6-CF5表现出较低的能级和优异的光吸收,从而得到了15.60%的能量转化效率（PCE）,开路电压为0.85 V,短路电流为24.61 m A cm-2,填充因子为75.47%。