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全聚合物太阳能电池中聚合物受体的研究进展

石油化工 2023年第12期52卷 1773-1783页

作者：杜家琦中石化(北京)化工研究院有限公司北京100013

简述了全聚合物太阳能电池的器件结构和工作原理。根据聚合物受体的结构组成模块,分别从小分子受体构建单元(包括给电子中心核与吸电子末端)和桥连单元的角度,综述了近几年聚合物受体材料的结构变化与效率发展,总结了每种结构优化手段... 详细信息

简述了全聚合物太阳能电池的器件结构和工作原理。根据聚合物受体的结构组成模块,分别从小分子受体构建单元(包括给电子中心核与吸电子末端)和桥连单元的角度,综述了近几年聚合物受体材料的结构变化与效率发展,总结了每种结构优化手段对材料性质的影响。最后提出了聚合物受体目前仍存在的问题并展望了未来的发展趋势。

关键词：聚合物受体小分子受体高分子化全聚合物太阳能电池有机太阳能电池

新型稠环聚合物受体的开发及光电转化性能的研究

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新型稠环聚合物受体的开发及光电转化性能的研究

作者：张豹郑州大学

学位级别：硕士

由p-型聚合物和n-型聚合物（PD/PA）组成的全聚合物太阳能电池（all-polymer solar cells,all-PSCs）在近几年受到广泛关注。相对于小分子,聚合物的特性赋予了 all-PSCs独特的优势,包括优异的热稳定性、柔韧性、机械稳定性和良好的成膜... 详细信息

由p-型聚合物和n-型聚合物（PD/PA）组成的全聚合物太阳能电池（all-polymer solar cells,all-PSCs）在近几年受到广泛关注。相对于小分子,聚合物的特性赋予了 all-PSCs独特的优势,包括优异的热稳定性、柔韧性、机械稳定性和良好的成膜性,以及更适合大面积的器件加工和制备。然而,all-PSCs的活性层形貌很难调节,目前全聚合物太阳能电池的能量转换效率（Power conversion efficiency,PCE）远低于同类型的聚合物太阳能电池。all-PSCs效率较低的一个主要原因是n-型聚合物的吸收系数低,电子输运性能较差。因此开发新型n-型聚合物同时扩展其种类,以提高n-型聚合物的光吸收系数和电子输运特性是提高all-PSCs的PCE最可行的途径之一。最近研究发现,将稠合缺电子单元引入到n-型聚合物可以有效增强n-型聚合物的光吸收能力和载流子迁移率,改善活性层形貌。在此研究背景下,我们本文设计合成了两种新型的聚合物受体材料,与常用的聚合物给体材料PM6和PBDB-T共混制备了 all-PSCs,系统研究了聚合物结构对器件性能参数（开路电压VOC;短路电流JSC;填充因子FF）以及电压损失的影响。主要研究内容包括:（1）将非富勒烯受体常用的DAD（Donor-Acceptor-Donor）稠环结构引入到n-型聚合物中,设计合成了一种以A’-DAD-A’-D’为主链骨架的受体聚合物A701,分别以1,1-二氰基亚甲基-3-茚酮（IC）、二噻吩并噻吩-[3,2-b]-吡咯并苯并噻二唑（TPBT）和苯并二噻吩（BDT）为A’、DAD和D’单元。A701溶液在780 nm处表现出较强的吸收峰,吸收系数为6.85×104 cm-1。A701的LUMO能级为-3.80 eV,HOMO能级为-5.22 eV,光学带隙为1.42 eV。选择与经典聚合物给体材料PBDB-T制备全聚合物太阳能电池,获得了 0.92 V的高VOC,18.27 mA cm-2的Jsc和0.64的FF,最后得到了 10.70%的PCE。结果表明,稠合的DAD型七元环不仅可用于构建非富勒烯小分子受体,而且还可用于构建高效的聚合物受体材料。（2）在第二个工作中,我们进一步对DAD稠环结构进行修饰,以苯并三氮唑（BTA）为七元稠合环DAD中的A单元,即以二噻吩并噻吩-[3,2-b]-吡咯并苯并三氮唑（TPBTA）为DAD单元,设计合成了一种新型A’-DAD-A’-D’型聚合物受体A702。与A701相比,1,1-二氰基亚甲基-3-茚酮（IC）仍作为A’单元,D’单元选用常见的电子给体单元噻吩（T）。基于PBDB-T:A702的全聚合物太阳能电池的 PCE 达到了 11.84%,其中 VOC为 0.90 V,JSC为 21.93 mA cm-2,FF 为0.60,电压损失为0.55 eV。该项工作表明,与BT相比,缺电子单元BTA拉低了 n-型聚合物的LUMO能级,VOC减小。同时A702与PBDB-T形成了较好的相分离形貌,Jsc得到了很大的提升。因此,改变A’-DAD-A’-D’型聚合物受体中DAD单元对改善活性层相分离形貌很重要。

关键词：全聚合物太阳能电池聚合物受体苯并噻二唑苯并三氮唑光伏性能

硒基非共轭聚合物受体的设计、合成及在有机太阳能电池中的应用与研究

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硒基非共轭聚合物受体的设计、合成及在有机太阳能电池中的应用与...

作者：胡辉鹏南昌大学

学位级别：硕士

全聚合物太阳能电池因其优异的形貌稳定性以及机械柔韧性,在未来柔性可穿戴电子设备中具有巨大的潜力。目前,基于Y系列小分子聚合化(PSMAs)的全聚合物太阳能电池能量转换效率(PCE)已经突破19%,展示出与基于小分子受体的有机太阳能电池... 详细信息

全聚合物太阳能电池因其优异的形貌稳定性以及机械柔韧性,在未来柔性可穿戴电子设备中具有巨大的潜力。目前,基于Y系列小分子聚合化(PSMAs)的全聚合物太阳能电池能量转换效率(PCE)已经突破19%,展示出与基于小分子受体的有机太阳能电池相当的性能。然而,受限于聚合物受体的强聚集性质,全聚合物太阳能电池的活性层形貌调控困难,进一步提升其光伏性能存在较大的难度。更为重要的是,受限于聚合物受体高度共轭的分子骨架,其机械柔韧性仍不足以满足当前柔性可穿戴电子设备的要求。本论文主要基于对聚合物受体材料结构与器件性能之间的关系理解,围绕改善聚合物受体的聚集性质和优化活性层形貌,设计合成了一系列基于硒基非共轭聚合物受体,研究了聚合物结构、光伏性能、机械性能之间的关系。具体研究工作和结果如下:(1)采用非共轭柔性桥连策略,通过非共轭柔性单元取代高结晶、强聚集聚合物受体PY-IT中的桥连单元,得到了新型的硒基非共轭桥连聚合物受体PY-IF1。研究发现,非共轭柔性单元可以有效的抑制聚合物受体的结晶性以及聚集性。然而,过度减弱的结晶性以及过度无序的堆积伴随着显著降低的载流子迁移率、显著增加的激子复合等,最终导致PM6:PY-IF1的能量转换效率较低,仅为11.73%。虽然基于PY-IF1的光伏器件并没有取得令人满意的结果,但是硒基非共轭柔性单元抑制聚合物受体过度结晶性和聚集性的有效性为我们后续的工作提供了良好的基础。(2)三元无规共聚是一种调控有机光伏材料物化性质的简单有效方法,通过对第三单元种类、引入量的控制,可以很好地抑制给受体的过度聚集、改善活性层形貌,从而获得光伏性能的优化。为了进一步研究分子结构与光伏性能、机械柔韧性的关系,基于高效率的聚合物受体PY-IT,我们将三元无规共聚策略与上述非共轭柔性单元策略相结合,设计合成了两类聚合物受体PYF1-A和PYF1-B。研究发现,随着硒基非共轭柔性单元的引入,三元聚合物受体PYF1-A和PYF1-B的聚集性得到了明显的改善。而且,通过巧妙控制非共轭柔性单元的取代方式,可以很好的调控全聚合物太阳能电池的光伏性能。其中,当柔性单元部分取代中心核时,PM6:PYF1-A的能量转换效率仅为13.60%,而当柔性单元部分取代桥连单元时,PM6:PYF1-B实现了明显改善的能量转换效率16.27%。更重要的是,全共轭体系PM6:PY-IT的机械柔韧性较差,断裂起始应变(COS)仅为8.67%,随着非共轭柔性单元的合理引入,PM6:PYF1-B在获得更高效的光伏性能同时,其断裂起始应变提升至16.08%,相应的柔性器件在1000连续弯折之后仍能保持92%的初始效率。得益于光伏性能和机械柔韧性的同时提高,PM6:PYF1-B的效率拉伸系数为2.16%,为PM6:PY-IT的两倍多,显示出在未来柔性可穿戴设备中巨大的潜力。这些结果也证实了三元共聚策略和非共轭柔性桥连策略应用于聚合物受体材料设计和全聚合物柔性器件制备的高效性。

关键词：聚合物受体非共轭柔性单元光伏性能机械拉伸性有机太阳能电池

适宜于非卤溶剂加工的三元聚合物受体材料的合成及性能

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适宜于非卤溶剂加工的三元聚合物受体材料的合成及性能

作者：陈瑶琼湘潭大学

学位级别：硕士

随着高效光敏活性层的不断开发利用和器件工艺的优化,聚合物太阳能电池的能量转换效率（PCE）节节攀升。其中,非富勒烯电子受体材料（NFAs）的发展,极大地推动了聚合物太阳能电池的发展。与小分子受体相比,聚合物受体具有更好的成膜性能... 详细信息

随着高效光敏活性层的不断开发利用和器件工艺的优化,聚合物太阳能电池的能量转换效率（PCE）节节攀升。其中,非富勒烯电子受体材料（NFAs）的发展,极大地推动了聚合物太阳能电池的发展。与小分子受体相比,聚合物受体具有更好的成膜性能,其全聚物共混膜具有更好的形貌稳定性,因此全聚物太阳能电池光伏稳定性更好。然而,相对于小分子NFAs,聚合物NFAs的发展相对较慢。此外,绝大部分高性能的聚合物NFAs仍然采用卤代有机溶剂来加工,从环保的角度来看,设计并开发出适宜于非卤代有机溶剂加工的高性能聚合物NFAs是全聚合物太阳能电池（A-PSCs）的研究重点之一。基于此,本文设计并合成了两类适宜于非卤代有机溶剂加工的三元聚合物电子受体材料,并详细研究了拉电子结构（A）单元和推电子结构（D）单元的种类、含量对其性能的影响,主要研究内容如下:1.以辛基取代IDTIC衍生物为第一拉电子结构单元（A）,均苯四甲酸二酰亚胺（MDI）衍生物作为第二拉电子结构单元（A）,分别以噻吩、二噻吩并吡咯（DTPy）和苯并二噻吩为D单元,设计并合成了三种D-A-D-A型三元聚合NFAs材料PT-MDI25、PDTPy-MDI25和PFBDT-MDI25。D单元的结构会影响聚合物的分子几何构型、能级、吸收光谱和聚集态。三种聚合物在氯仿中表现出较强的分子间聚集性能,而在二甲苯溶液中表现出的较弱的分子间聚集性能,因此,三种聚合物适宜于用二甲苯作溶剂制备A-PSCs器件。PDTPy-MDI25的HOMO能级接近PM6的HOMO能级,这导致空穴从PDTPy-MDI25转移至PM6的PCE下降,因此,PDTPy-MDI25:PM6共混膜的激子分离效率较低,故其A-PSCs器件的J(5.40 m A cm)、FF（43.66%）和PCE（2.05%）最低。此外,研究结果表明FBDT作为D单元有利于获得较好性能的聚合物NFAs,基于PFBDT-MDI25:PM6的器件的PCE达到6.96%,其中V为0.958 V,J为14.39m A cm,FF为50.48%。2.以辛基取代IDTIC衍生物作为A单元,以FBDT作为D单元,分别以10%、15%、20%和25%摩尔分数的NDI（萘二酰亚胺）衍生物作为A单元,设计并合成了D-A-D-A型三元共聚受体材料PFBDT-NDI10、PFBDT-NDI15、PFBDT-NDI20和PFBDT-NDI25。研究发现,随着NDI含量的增加,聚合物的HOMO能级逐渐下降,其聚合物:PM6共混膜薄膜的荧光淬灭现象减少,其聚合物:PM6共混膜的激子解离和电荷转移的效率下降,导致其器件性能下降。以PFBDT-NDI10、PFBDT-NDI15、PFBDT-NDI20和PFBDT-NDI25作为受体材料,PM6为给体材料,二甲苯作为溶剂,制备了A-PSCs器件,基于PFBDT-NDI10的器件的PCE为4.95%,基于PFBDT-NDI15的器件的PCE为7.33%,而基于PFBDT-NDI20和PFBDT-NDI25的器件的PCE分别为5.95%和2.87%。这表明,采用引入NDI单元的三元共聚策略能够有效削弱聚合物NFAs自身的聚集性,因而可用邻二甲苯作为溶剂制备A-PSCs器件。此外,NDI含量也会影响聚合物的能级、构象以及共混膜的激子解离和电荷转移,从而影响A-PSCs的光伏性能。一方面,NDI含量过少无法有效削弱聚合物NFAs的聚集,不利于制备高性能A-PSCs。另一方面,NDI含量过高也会严重抑制分子间的聚集和电荷传输,不利于光伏性能的提高。

关键词：全聚合物太阳能电池聚合物受体二酰亚胺非卤溶剂加工

共聚单元对小分子和聚合物受体材料光伏性能的调控研究

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共聚单元对小分子和聚合物受体材料光伏性能的调控研究

作者：杨婷内蒙古师范大学

学位级别：硕士

有机太阳电池(OSC)作为一种新型光伏技术,在解决能源危机和缓解环境污染等方面具有较大的潜力。近年来,随着A-DA’D-A(A和D分别为电子给受体单元)型非富勒烯小分子受体的快速发展和器件优化等,其能量转换效率已超过19%。目前全聚合物太... 详细信息

有机太阳电池(OSC)作为一种新型光伏技术,在解决能源危机和缓解环境污染等方面具有较大的潜力。近年来,随着A-DA’D-A(A和D分别为电子给受体单元)型非富勒烯小分子受体的快速发展和器件优化等,其能量转换效率已超过19%。目前全聚合物太阳电池的效率也已达到18%以上,这得益于A-DA’D-A型聚合小分子受体的开发。具有ADA’D-A型结构的受体材料由于具有高吸收系数、窄带隙、易于调节的能级以及结构易于修饰等优势被认为是目前最有希望的候选材料之一。其中端基A单元具有较强的电子接受能力,能够增强分子内和分子间相互作用以及电荷分离与传输性能。通过在端基上引入卤素能够调节分子的能级和带隙,但由于单卤化的端基会导致异构效应,故可以通过调节端基上的取代位置来调节材料的吸收光谱、分子堆积和电荷传输等特性。此外,含溴化端基的小分子常被作为合成二聚体及聚合物受体的中间体,能够通过连接不同的共聚单元来合成新的小分子受体和聚合物受体。本论文聚焦于端基溴取代位置及共聚单元对小分子和聚合物受体材料的光学、电化学和光伏性能的影响,设计了一系列小分子受体和聚合物受体,取得了以下结果:1.以2-(5(6)-溴-3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-1-基)丙二腈(IC-mixBr)和2-(5-溴-3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-1-基)丙二腈(IC-5-Br)为端基A单元,以二噻吩并噻吩并吡咯稠合苯并三氮唑为DA’D稠环单元,合成了两个小分子受体BTAIC-mix-Br和BTAIC-5-Br。与BTAIC-mix-Br相比,BTAIC-5-Br表现出相对较窄的带隙和上移的LUMO能级。以PBDB-T为给体,两个器件分别给出10.35%和10.16%的效率。2.通过在IC端基上的5位引入噻吩和硒酚单元来调节分子的LUMO能级。引入给电子噻吩和硒酚基团能够减弱IC端基的吸电子性,提高分子的LUMO能级,从而提高电池的开路电压。以BTAIC-5-Br为中间体,通过Stille偶联反应合成了两个小分子受体BTAIC-5-S和BTAIC-5-Se。与BTAIC-5-Br相比,BTAIC-5-S和BTAIC-5-Se的LUMO能级分别上移至-3.68 e V和-3.70 e V。以PBDB-T为给体,BTAIC-5-S和BTAIC-5-Se器件分别给出了0.949 V和0.927 V的开路电压,8.66%和7.57%的效率。3.通过采用聚合小分子受体策略,以BTAIC-mix-Br和BTAIC-5-Br为小分子构建块,以噻吩和硒酚为共聚单元,合成了聚合物受体P(BTAIC-mix-S)、P(BTAIC-5-S)和P(BTAIC-5-Se)。与区域不规整P(BTAIC-mix-S)相比,区域规整P(BTAIC-5-S)表现出较窄的带隙和较低的LUMO能级。与PBDB-T共混,P(BTAIC-5-S)获得了6.32%的效率,P(BTAIC-mix-S)的效率为4.71%,表明区域规整聚合物受体可以获得更高的器件效率。通过凝胶渗透色谱测量,可能由于P(BTAIC-5-Se)分子量小,器件的效率只有0.42%。通过硅胶薄层色谱法对P(BTAIC-mix-S)提纯后,效率提高到8.00%,表明通过缩小分子量分布,有利于提高器件性能。

关键词：有机太阳电池端基修饰共聚单元小分子受体聚合物受体

基于稠环小分子受体衍生单元构建新型聚合物受体

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基于稠环小分子受体衍生单元构建新型聚合物受体

作者：郝祥宇福州大学

学位级别：硕士

全聚合物太阳能电池具有可溶液加工、可大面积制备与机械柔韧性好等突出优点,是有机太阳能电池领域的重要研究方向。它是基于聚合物给体和聚合物受体形成共混活性层的有机太阳能电池。其性能主要取决于共混活性层所用的聚合物半导体材... 详细信息

全聚合物太阳能电池具有可溶液加工、可大面积制备与机械柔韧性好等突出优点,是有机太阳能电池领域的重要研究方向。它是基于聚合物给体和聚合物受体形成共混活性层的有机太阳能电池。其性能主要取决于共混活性层所用的聚合物半导体材料。近年来聚合物给体材料的研究取得较大进展,已有大量的高性能聚合物给体材料被陆续报道。但是,聚合物受体材料的发展相对滞后。高性能聚合物受体材料的缺乏成为全聚合物太阳能电池向前发展的一个关键制约因素。氰基茚酮类稠环小分子受体是目前推动有机太阳能电池性能实现突破的关键材料。将稠环小分子受体进行聚合物化,是发展高性能聚合物受体材料的一个新思路。本论文主要探讨如何基于氰基茚酮类稠环小分子受体衍生单元构建新型聚合物受体材料。具体研究内容为:基于氰基茚酮类稠环小分子受体Y6衍生单元M1设计合成了参比小分子受体SY6与非共轭聚合物受体NC-PY6。NC-PY6来自于M1与含噻吩的非共轭单体M2通过Stille交叉偶联缩聚反应,与SY6具有相同的共轭结构单元。NC-PY6具有良好的溶解性、热稳定性与高的数均分子量(35.6 k Da)。NC-PY6与SY6具有相似的吸收光谱,并与已知给体D18表现出吸收互补。基于D18:SY6共混膜与D18:NC-PY6共混膜的聚合物太阳能电池器件的光电转化效率分别可达到13.1%与12.3%。结果表明,将氰基茚酮类稠环小分子受体Y6衍生单元进行聚合物化,可以获得高性能的新型聚合物受体材料。基于D-A型氰基茚酮类稠环小分子受体IDIC衍生单元,设计合成了两种新型共轭聚合物受体PIDTCN-1和PIDTCN-2,并将两者进行了对比研究。对两聚合物作为受体材料的全聚合物太阳能电池的器件性能进行了初步评价。因器件的短路电流密度与填充因子均比较低,相应的光电转化效率均较低(小于2%)。基于D-A型与A-D-A’-D-A型氰基茚酮类稠环小分子受体IDIC衍生单元,设计合成了两种新型非共轭聚合物受体NC-PIDTCN和NC-PIBICN,并对其进行了对比研究。NC-PIBICN相比NC-PIDTCN具有更高的数均分子量(20.98 k Da vs.5.67 k Da)、更窄的光学能带隙(1.56 e V vs.1.64 e V)与更高的LUMO能级(-3.84 e V vs.-3.94 e V)。给体PPDT2FBT与NC-PIBICN或NC-PIDTCN之间能够进行有效的分子间电荷转移。结果表明两聚合物是潜在的聚合物受体材料。

关键词：全聚合物太阳能电池聚合物受体氰基茚酮稠环小分子受体

共轭聚合物作为有机光电池电子受体的特性研究

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发光学报 2012年第3期33卷 322-327页

作者：侯林涛王标王二刚暨南大学理工学院物理系

以聚3-已基噻吩(P3HT)和聚对苯亚乙烯衍生物(MDMO-PPV)作为电子给体,聚[2,3-双-(3-辛烷氧基苯基)喹喔啉-5,8-二基-交替-噻吩-2,5-二基](TQ1)作为电子受体,制备并研究了聚合物给体/聚合物受体有机光伏电池性能。当给体P3HT、受体TQ1共混... 详细信息

以聚3-已基噻吩(P3HT)和聚对苯亚乙烯衍生物(MDMO-PPV)作为电子给体,聚[2,3-双-(3-辛烷氧基苯基)喹喔啉-5,8-二基-交替-噻吩-2,5-二基](TQ1)作为电子受体,制备并研究了聚合物给体/聚合物受体有机光伏电池性能。当给体P3HT、受体TQ1共混质量比为1∶1时,器件性能最佳。热处理会改变薄膜形貌,导致激子扩散到达界面的距离增加和激子分离界面数量下降,进而引起器件性能下降。溶剂效应对器件性能影响不明显。研究了相似能带结构给体聚合物对MDMD-PPV光电池性能的影响,发现结晶程度较低的给体材料会进一步导致器件性能降低。

关键词：聚合物受体有机光电池热处理结晶度薄膜形貌

N型聚合物太阳能电池受体材料的设计、合成及其光伏性能研究

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N型聚合物太阳能电池受体材料的设计、合成及其光伏性能研究

作者：谢伟成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着全球能源需求的日益紧张,有机光伏技术作为经济型可再生的清洁能源,受到了科研界的青睐。近年来,全聚合物有机太阳能电池引起了科研工作者的关注以及巨大的研究兴趣,全聚合物太阳能电池包括p型聚合物给体材料和n型聚合物受体材料。... 详细信息

随着全球能源需求的日益紧张,有机光伏技术作为经济型可再生的清洁能源,受到了科研界的青睐。近年来,全聚合物有机太阳能电池引起了科研工作者的关注以及巨大的研究兴趣,全聚合物太阳能电池包括p型聚合物给体材料和n型聚合物受体材料。不仅具有可调节的结构特性以及光学,电化学特性,而且具有包括长期稳定性,合成便利性和出色的薄膜成型性能等优越特性,在实现大规模生产方面具有很好的优势。此外,相对于基于非富勒烯小分子的有机太阳能电池来说,全聚合物太阳能电池拥有更为出色的机械耐久性和可拉伸性,具有很好的开发前景。根据最新的报道,在材料设计和器件加工方面的突破已经成功推动了全聚合物太阳能电池的光电转换效率超过11%。但大部分已知的全聚合物太阳能电池的光电转换效率仍然低于8%,其主要原因在于聚合物受体材料的研究和开发仍存在瓶颈,设计出新的聚合物受体材料是提高全聚合物太阳能光伏效率的核心途径。本课题基于溴原子在小分子受体材料中的优点,其吸电子能力和非共价相互作用与氟、氯原子相似,在端基处引入溴原子,设计并合成了六种新型溴原子取代小分子受体材料,并利用溴官能化,选择不同的富电子单元与这些小分子偶联聚合。通过不同的聚合条件,最终得到一系列的D-A型共轭聚合物受体材料,并研究了它们的光电性能与光伏性能。本文主要研究内容包括:(1)设计并合成了四种溴原子取代的小分子材料BTIC-2Br-m,BTIC-2Br-γ,BTIC12-2Br-m以及BTIC12-2Br-γ,通过核工程的研究,选择引入中心稠环结构为五元环,另外接入长烷基侧链以改善材料溶解性,选择噻吩(T)作为给电子(D)单元进行连接,通过Stille聚合得四种N型聚合物受体材料PTBT-m,PTBT-γ,PTBT12-m和PTBT12-γ,选用给体材料PBDB-TF相匹配,得到最优器件结构PBDB-TF:PTBT12-γ,获得了4.88%的PCE。(2)设计并合成了两种溴原子取代位置不同的以梯形缺电子单元(二噻吩并噻吩[3,2-b]-吡咯并苯并噻二唑)为中心核的稠环小分子受体材料BTTIC-2Br-m和BTTIC-2Br-γ,并将其作为缺电子(A)单元引入聚合物受体中,分别尝试与含氟原子的噻吩烷基链取代的苯并二噻吩(BDT)单元,联二噻吩(TT)以及噻吩(T)作为富电子(D)单元通过Stille聚合反应,得到了六种N型聚合物受体材料PFBDT-BTTIC-m,PFBDT-BTTIC-γ,PTT-BTTIC-m,PTT-BTTIC-γ,PTBTT-m和PTBTT-γ,发现由于BTTIC单元本身七元环的稠环结构,再与BDT类单元以及TT单元聚合反应,只能得到聚集性过强而难以溶于一般溶剂的聚合产物,因此PFBDT-BTTIC-m,PFBDT-BTTIC-γ,PTT-BTTIC-m和PTT-BTTIC-γ无法制备成有效的器件,故仅研究了PTBTT-m和PTBTT-γ两种材料的光电与光伏性能。选择了与非富勒烯材料高效匹配的聚合物给体材料PBDB-TF与两种聚合物受体材料匹配,制备了PBDB-TF:PTBTT-m和PBDB-TF:PTBTT-γ两种器件结构,分别得到了3.27%和4.33%的光电转换效率(PCE)。研究表明,基于BTTIC系列与BTIC系列材料的N型聚合物受体材料,在近红外区有强的吸光能力,且均可得到了0.94 V的高开路电压。同时通过以上材料对比,溴原子位置确定的单体引入聚合物中比混合异构单体会得到性能相对更好的聚合物材料。但由于所得材料的J和FF值偏低,在光电转换效率上表现不如预期。非富勒烯受体小分子的聚合作为N型聚合物受体分子设计策略具有巨大的发展潜力。

关键词：有机太阳能电池 “A-DAD-A”型分子共轭聚合聚合物受体侧链工程

基于无规共聚调控全聚合物太阳能电池受体材料光伏性能研究

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基于无规共聚调控全聚合物太阳能电池受体材料光伏性能研究

作者：刘金良南昌大学

学位级别：硕士

全聚合物太阳能电池(APSC)由于其活性层材料都是由聚合物材料组成而具有优异的光学和电子特性可调性、出色的机械柔韧性和良好的设备稳定性等无与伦比的特性获得了广泛报道。当前,开发和设计高效的聚合物受体材料是助力APSC高速发展的... 详细信息

全聚合物太阳能电池(APSC)由于其活性层材料都是由聚合物材料组成而具有优异的光学和电子特性可调性、出色的机械柔韧性和良好的设备稳定性等无与伦比的特性获得了广泛报道。当前,开发和设计高效的聚合物受体材料是助力APSC高速发展的核心途径。本文主要针对当前高效的聚合物受体材料存在的不足通过三元随机共聚的方法进行优化,设计合成了一系列新型聚合物受体材料,同时探究了无规共聚对聚合物性能的调控及其对光伏器件优化的影响。首先,我们通过无规聚合将具有优异吸光性能的卟啉单元引入基于萘二酰亚胺(NDI)的受体中,旨在解决当前基于NDI聚合物受体吸光系数低、结晶性强等问题,设计并合成了一系列新型无规共聚物PNDI-Px。通过卟啉单元的引入,我们协同地调控了聚合物受体的吸光强度和结晶性。研究发现,在适当的卟啉单元负载下,新型无规聚合物受体具有更高的吸收系数,更高的最低未占据分子轨道(LUMO)能级,更灵活的主链和更低的聚集。因此,聚合物受体PNDI-P10与PBDB-T给体共混制备的全聚合物太阳能电池的器件参数都有明显改善,其PCE为5.93%,J为12.84 mA cm,V为0.85 V,FF为54.34%。其次,基于小分子聚合化的聚合小分子受体(PSMA)由于具有大平面或准平面的高刚性熔断环在共混膜中很难获得最佳形态,因此,我们将3-(2-(2-乙氧基乙氧基)乙氧基)噻吩(ET)单元作为第三单元引入到高性能的D-A型共聚物PYT中,通过无规聚合部分取代Y5单元,得到了一系列新型无规共聚物PYT-ET(x)。研究发现,含烷氧链富电子单元的引入不仅抬升了聚合物的LUMO能级,还调控了聚合物共混形态,使得给受体间具有更加合适的相分离尺寸,有利于激子解离和电荷分离,从而有利于提高器件的整体光伏参数。最终,参照物PBDB-T:PYT器件的最优效率为11.75%,而基于PBDB-T:PYT-ET(10)的器件实现了12.77%的PCE。

关键词：全聚合物太阳能电池无规共聚聚合物受体结晶性光电转换效率