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基于BDT的宽带隙第三组分设计合成与性能表征

基于BDT的宽带隙第三组分设计合成与性能表征

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作者：代玉婕西安电子科技大学

学位级别：硕士

有机光伏电池具有成本低、质量轻、弱光响应性好、柔性可弯折等诸多优点,在便携式电子设备、光伏建筑设施一体化等领域具有广泛的应用前景,已成为光伏器件领域的研究热点之一。有机光伏电池通常采用三明治型器件结构,其中活性层材料对... 详细信息

有机光伏电池具有成本低、质量轻、弱光响应性好、柔性可弯折等诸多优点,在便携式电子设备、光伏建筑设施一体化等领域具有广泛的应用前景,已成为光伏器件领域的研究热点之一。有机光伏电池通常采用三明治型器件结构,其中活性层材料对于光吸收、激子的产生、扩散和拆分、电荷传输和收集整个物理过程产生决定性影响。基于活性层材料从富勒烯材料发展到非富勒烯材料,近年来,由于富勒烯存在光吸收能力弱、材料成本高以及化学结构难以调控等缺点,已经逐渐被非富勒烯材料所取代。基于研究者们长期以来的探索,结合传统的本体异质结型器件构型简单、制备工艺简单和制造成本低廉的优点,借鉴叠层器件的优化思路,三元体异质结型的有机光伏电池应运而生。与叠层器件的思路相同,三元器件通过甄选吸收范围尽可能互补的材料,提高光子利用率,再调控各个组分的比例进行共混及共混膜后处理优化,使活性层的微观形貌达到最佳,保证激子的扩散解离和电荷的传输。从而可以实现同时提高V,J和FF三个器件性能参数。此外,第三组分的引入,还可能实现器件稳定性的提升。总之,三元策略可以提高有机光伏电池的性能己经被大量的研究成果证明。基于此,本论文主要围绕以下三部分内容展开。(1)首先,设计合成了三个以噻吩联苯并二噻吩BDTT为中心单元,茚满二酮、3-双茚满二酮、氰基乙酸辛酯为末端基团的A-D-A型宽带隙小分子材料BR-2O、BR-CN、BR-CAO。三种小分子材料均拥有较好的热稳定性,满足光伏器件的制备要求,紫外光谱吸收与主体系互补,LUMO能级升高,有利于V的提高。我们将这三个小分子作为第三组分引入PM6:Y6体系,研究其对器件性能的影响。通过对电荷传输过程,共混膜形貌特征进行表征分析发现,基于BR-CAO的三元器件与二元共混膜相比,表现出更好的相分离尺寸和堆积,并且进一步改善了网络互穿结构,有利于提高器件的电荷传输能力,另一方面因为BR-2O和BR-CN两个分子较差的溶解度,导致第三组分的加入破坏了二元体系的分子堆积及微观形貌,使得器件相比二元器件性能下降,无法达到预期的效果。基于PM6:Y6:BR-CAO的三元器件PCE达到了16.87%,以上结果证明了通过引入不同端基能够精确调控分子的能级与吸收能力,更重要的是表明基于BDTT核的A-D-A型宽带隙小分子作为第三组分应用于高效有机光伏电池具有巨大潜力。(2)以BDTT为中心单元,选择3-乙基罗丹宁作为末端基团,合成得到BR1,该分子具有良好的溶解性和热稳定性,将其作为第三组分应用到PM6:Y6二元OSC器件中,以调节共混膜中的分子堆积和聚集,从而降低非辐射复合损失和提高光伏性能。BR1的添加使得活性层在短波长区域产生了增强的光子捕获能力以及形成了良好的纤维状结构的薄膜形态同时增加了相分离,从而减少了π-π堆积距离、促进了激子解离、改善了电荷传输、抑制了电荷复合以及增强了电致发光发射,因此优化的三元有机光伏器件表现出17.23%的高PCE,能量损失为0.534 e V,显著高于二元有机光伏器件的性能。由于三元有机光伏器件具有制备工艺简单、合成BR1简单等多种有益功能,该策略可以很容易地应用于有机光伏器件的大规模生产。(3)以苯并二噻吩BDT为中心单元,3-乙基罗丹宁为末端基团,通过引入烷基和烷氧基侧链设计合成了BR-C8、BR-C12、BR-OC8三种具有A-D-A型结构宽带隙小分子材料,它们具有较好的热稳定性和吸光能力,拓宽了二元体系的吸收范围,同时LUMO能级增大,带隙变大。将他们分别引入PM6:Y6二元体系后,V上升,基于这三个小分子材料的三元光伏器件都获得了超过16.8%的PCE,烷氧基取代的BR-OC8的性能稍低于烷基链取代的BR-C8和BR-C12,连接烷基链和烷氧基链的BDT单元可以用于构筑小分子材料,进一步说明了对于A-D-A型小分子材料,可以通过改变A-D-A分子中给体单元(D)上的侧链,对分子的能级、吸收和堆积方式进行调节,而引入烷基链的小分子具有更大的潜力,其性能还需进一步研究开发。

关键词：三元有机光伏电池宽带隙第三组分苯并二噻吩能量损失

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