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聚合物太阳电池的活性层调控及器件性能研究

聚合物太阳电池的活性层调控及器件性能研究

作者：王仕亮华南理工大学

学位级别：硕士

太阳能是一种清洁的取之不竭的理想能源,而将太阳能转换为电能的太阳能电池是缓解当下能源危机和日益严峻的环境污染问题的有效途径。与无机硅太阳电池相比,聚合物太阳电池的诸如重量轻、成本低、可溶液加工、可卷曲等优点令其更被寄予... 详细信息

太阳能是一种清洁的取之不竭的理想能源,而将太阳能转换为电能的太阳能电池是缓解当下能源危机和日益严峻的环境污染问题的有效途径。与无机硅太阳电池相比,聚合物太阳电池的诸如重量轻、成本低、可溶液加工、可卷曲等优点令其更被寄予重望。但一些难题如较低的能量转换效率和较差的稳定性等限制了其商业化的脚步。本文主要通过聚合物太阳电池活性层的调控和电池器件的制备,研究了活性层调控与器件性能之间的影响和联系,为进一步提高器件效率、推进聚合物太阳电池的实际应用提供了一定的参考和指导意义。在第二章中,介绍了聚合物太阳电池的器件制备过程、所使用到的设备和仪器以及常见的一些分析测试方法。在第三章中,围绕聚合物PfBO812和PfBO1014分别作为给体、PCBM作为受体的倒置结构本体异质结聚合物太阳电池的制备,通过改变给受体质量比例、加工溶剂及溶剂添加剂、活性层厚度和热退火温度等对活性层进行了调控和优化。在o-DCB/CB和非卤素溶剂o-xylene/DPE分别作为加工溶剂时,制备得到了PCE分别为8.9%、8.8%的PfBO812:PCBM的聚合物太阳电池器件和9.2%、9.4%的PfBO1014:PCBM的电池器件,其中混合溶剂的使用和活性层厚度的调节对器件性能有显著的影响。器件性能的研究表明,较高的载流子迁移率水平和均衡的电子/空穴迁移率比值、较弱的器件内部双分子电荷复合情况以及活性层的良好的纤维状的双向互穿网络结构是这些电池器件具有较高的EQE响应、FF值和PCE的重要原因。在膜厚约250 nm、温和的活性层制备温度(约50℃)和非卤素溶剂o-xylene/DPE作为加工溶剂时,基于PfBO1014:PCBM的电池仍能获得出色的能量转换效率(9.4%),这对于给体材料的开发和聚合物太阳电池的面向实际应用提供了一定的指导意义。第四章中,围绕苝酰亚胺星型小分子材料Fused-Tr-3PDI或Tr-3PDI作为受体、PTB7-Th作为给体的正装结构本体异质结聚合物太阳电池的制备,对活性层进行了给受体质量比例、加工溶剂及溶剂添加剂、活性层厚度和活性层热退火等的调控和优化。添加剂CN加入到o-DCB作为加工溶剂,PTB7-Th:Fused-Tr-3PDI和PTB7-Th:Tr-3PDI电池器件的最高的能量转换效率分别为3.77%和2.18%。CN的加入一定程度上起到了减缓薄膜成膜,使给受体能更为充分地结晶从而有效提高器件的短路电流。器件性能研究表明,二者较低的且远小于空穴迁移率的电子迁移率,器件内部的严重的电荷复合情况以及活性层形貌所揭示的不理想的相分离情况很大程度上解释了二者电池器件较低的J、FF和PCE。对比苝酰亚胺单元为枝的星型PDI小分子受体材料Fused-Tr-3PDI和Tr-3PDI可知,苝酰亚胺单元与中间核分子之间形成并环结构可能是提高其光伏性能的一种有效方式。第五章中,围绕含硼氮共价键的苝酰亚胺小分子材料PDIBN-T作为受体、PBDB-T作为给体的正装结构本体异质结聚合物太阳电池的制备,对器件的性能进行了一些研究。制备得到的PBDB-T:PDIBN-T电池器件的最高PCE为1.95%。作为对比,以未引入硼氮共价键的苝酰亚胺小分子材料PDI-T作为受体时,可以得到能量转换效率为3.59%的PBDB-T:PDI-T电池器件。器件性能研究表明,PBDB-T:PDIBN-T电池器件较低的电子迁移率水平,以及严重的单分子复合或陷阱复合情况很大程度上制约了电池的器件性能。相比PDI-T,PDIBN-T的不同的分子能级和相应器件的更高的开路电压(分别为1.03 V和0.87 V)表明硼氮共价键的引入是调节这类小分子材料的能级结构、获得更高的开路电压的一种有效方式,但同时分子结构的改变如分子平面结构的破坏可能会对器件性能如电子迁移率、能量转换效率等带来不良影响。

关键词：聚合物太阳电池活性层调控能量转换效率非富勒烯小分子受体

基于噻吩取代二氰基茚酮的非富勒烯受体材料的合成及性能研究

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基于噻吩取代二氰基茚酮的非富勒烯受体材料的合成及性能研究

作者：黄为湘潭大学

学位级别：硕士

最近几年,聚合物太阳能电池(PSCs)领域发生了翻天覆地的变化,以推电子结构单元(D)为核和拉电子结构单元(A)作为两臂的A-D-A型非富勒烯受体材料取得了突破性的进展,其最高光电转换效率(PCE)值已经远远超过富勒烯体系。开发新的A-D-A型受... 详细信息

最近几年,聚合物太阳能电池(PSCs)领域发生了翻天覆地的变化,以推电子结构单元(D)为核和拉电子结构单元(A)作为两臂的A-D-A型非富勒烯受体材料取得了突破性的进展,其最高光电转换效率(PCE)值已经远远超过富勒烯体系。开发新的A-D-A型受体材料,科研工作者一般从以下几方面入手:开发新的推电子结构单元(D)或者拉电子结构单元(A),以及优化侧链。为此,我们设计并合成了一种新的拉电子结构单元:2’-溴代噻吩取代-3-二氰基-1茚酮(SDCN-Br),并以此合成了基于引达省并二噻吩并[3,2-b]噻吩(IDTT)中心核的小分子受体材料和基于引达省并二噻吩(IDT)推电子结构单元的聚合物受体材料。并研究了他们的热稳定性能、光物理性能、电化学性质以及光伏性能。1.设计并合成2’-溴代噻吩取代-3-二氰基-1-茚酮(SDCN-Br)作为末端拉电子结构单元(A),以推电子的IDTT为中心核单元(D),通过Knoevenagel缩合反应得到A-D-A型小分子受体ITC-2Br。小分子受体ITC-2Br在500-800 nm范围的太阳光有较强的吸收。与没有引入Br原子的同类小分子受体相比,其吸收光谱红移,能隙降低,故基于PBDB-T:ITC-2Br的PSCs的J增大到18.53 m A cm,然而,溴的引入使得ITC-2Br的LUMO能级下降,导致基于PBDB-T:ITC-2Br的PSCs的V降低到0.86 V,此外,由于PBDB-T:ITC-2Br共混膜形貌未进行优化,导致其填充因子只有54.38%,故其光电转换效率只有8.53%。ITC-2Br与PM6具有更好的吸收光谱互补性,故基于PM6:ITC-2Br的PSCs表现出了更好的光伏性能,光电转化效率为9.98%。用噻吩封端得到小分子受体ITC-T,相对于ITC-2Br,ITC-T的吸收光谱轻微红移,LUMO能级更高。以PBDB-T为给体材料,ITC-T为受体,制备的器件的V为0.92 V,J为8.32 m A cm,FF为41.43%,PCE为3.16%,其光伏性能明显低于基于ITC-2Br为受体的器件,其主要原因是ITC-T溶解性太差,与给体的相容性差,这限制了其激子解离和载流子传输,导致器件的J、FF和PCE值较低。2.将溴代噻吩取代双氰基茚酮与含十六烷基侧链的引达省并二噻吩(IDT)双醛衍生物通过Knoevenagel缩合反应得到聚合单体IDT-C16-2Br,并将IDT-C16-2Br与2,5-双(三甲基锡基)噻吩聚合得到聚合物PH1。研究结果表明,聚合物PH1表现出良好的热稳定性,在500-800 nm波段有较强的吸收。以PBDB-T为给体材料,PH1为受体材料,制备了全聚合物太阳能电池。当不使用添加剂来制备光活性层,其共混膜形貌较差,微相尺寸较大,抑制了激子分离和电荷传输,导致电荷复合严重,故其PSCs的J和FF较低,光电转换效率只有1.94%。当加入4%氯萘作为添加剂来制备光活性层,可以改善共混膜形貌,降低微相尺寸,促进了激子分离和电荷传输,抑制了电荷复合,故其PSCs的J和FF得到大幅度提高,其光电转换效率达到了6.34%。

关键词：聚合太阳能电池非富勒烯小分子受体非富勒烯聚合物受体噻吩取代双氰基茚酮溴代

PM6:BTP-eC9基体异质结三元有机太阳能电池活性层优化及性能研究

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PM6:BTP-eC9基体异质结三元有机太阳能电池活性层优化及性能研究

作者：曹紫梁桂林电子科技大学

学位级别：硕士

为应对日益严重的环境问题和能源危机,太阳能电池技术作为清洁能源技术亟待发展。其中以有机半导体材料为活性层的有机太阳能电池（OSCs）深受国内外研究者的关注,其具有原材料丰富,成本低、质量轻、无毒、柔性、半透明等优点。但相对... 详细信息

为应对日益严重的环境问题和能源危机,太阳能电池技术作为清洁能源技术亟待发展。其中以有机半导体材料为活性层的有机太阳能电池（OSCs）深受国内外研究者的关注,其具有原材料丰富,成本低、质量轻、无毒、柔性、半透明等优点。但相对于成熟的硅太阳能电池技术,OSCs现在的能量转换效率（PCE）仍然与这些成熟的技术有一定差距。因此,提升器件的PCE目前仍是OSCs最需要实现的目标。三元OSCs可有效提升器件的PCE,三元策略通过将第三组分加入二元主体系中制备三元器件。三元器件既保持了二元器件制备工艺的简便,又可实现叠层器件对吸光的拓宽与增强。此外,探究第三组分对活性层形貌的影响及其物理作用机制对于提升器件性能显的尤为重要。本论文以高效的二元体系PM6:BTP-e C9为基础,筛选两个不同的非富勒烯小分子受体作为第三组分来制备高效的三元OSCs,并通过电学、光学、热力学、物理学等多方面的表征手段对器件及活性层进行研究,探究其性能提升的内在工作机制。基于此,本论文开展了以下工作:（1）将中带隙非富勒烯小分子受体IDIC作为第三组分,加入到PM6:BTP-e C9主体系,制备PM6:BTP-e C9:IDIC高效的三元OSCs。IDIC的加入能够增强活性层的光子捕获、优化活性层形貌,得到良好的纳米纤维结构和更好的相分离,从而促进激子解离、电荷传输和抑制复合。从IDIC到BTP-e C9额外的福斯特共振能量转移为提高激子利用率提供了一条额外的通道。IDIC与BTP-e C9良好的相容性有利于两受体在共混膜中可以形成的“类合金”受体相,有利于器件的开路电压(V)的提升。在添加5wt%的IDIC时,器件的三个参数都有所提升,因此相较于主二元器件17.09%的PCE三元器件达到较高水平的18.53%。基于其他体系的三元器件也实现了效率的提升。这一工作表明,选择具有良好相容性且吸收互补的第三组分来制备高效的三元OSCs的一种简单有效的策略。（2）将具有相似化学结构的非富勒烯小分子受体N3作为第三组分加入到PM6:BTP-e C9主体系,制备PM6:BTP-e C9:N3高效的三元OSCs。N3的加入能够增强活性层的光子捕获,有利于器件短路电流(J)的提升。N3合适的能级排列能与主体系形成能级级联,有利于电荷的传输与收集。相似的化学结构使得两受体具有良好的相容性,能够改善活性层形貌与相分离,有利于激子解离与抑制复合。当添加10wt%得N3时三元器件PCE从二元17.22%提升到18.54%,这归因于J与填充因子（FF）的明显提升。这一工作表明,选择具有相似化学结构的第三组分来制备高效的三元OSCs是一种简单有效的策略。

关键词：三元有机太阳能电池能量转换效率非富勒烯小分子受体吸收互补合金模型

A-D-A1-D-A非富勒烯稠环电子受体材料的设计、合成与器件性能研究

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A-D-A1-D-A非富勒烯稠环电子受体材料的设计、合成与器件性能研究

作者：张方翟苏州大学

学位级别：硕士

有机太阳能电池（OSCs）因其质量轻、成本低、可溶液加工、可大面积柔性加工等优点成为了很多光伏领域的研究重点。活性层材料是制约OSCs光伏性能的主要因素。因此,开发能量转换效率（PCE）高的活性层给体材料/受体材料成为OSCs研究的... 详细信息

有机太阳能电池（OSCs）因其质量轻、成本低、可溶液加工、可大面积柔性加工等优点成为了很多光伏领域的研究重点。活性层材料是制约OSCs光伏性能的主要因素。因此,开发能量转换效率（PCE）高的活性层给体材料/受体材料成为OSCs研究的首要任务。近年来,随着新型非富勒烯受体材料（NFAs）的发展,PCE获得了巨大提升,单节OSCs最大PCE突破17%[1-4]。本论文针对目前高效率中带隙NFAs种类偏少缺点,设计了四种A-D-A1-D-A型中带隙NFAs,通过改变中心核、烷基侧链和端基的来调节其吸收光谱、分子能级以及活性层形貌,进而提高光伏器件的PCE。具体研究内容和结果如下:一、将吸电子单元吡嗪（PZ）或吡啶（PD）作为A单元,引达省并二噻吩（IDT）为D单元,5,6-二氟-3-（二氰基亚甲基）茚-1-酮（IC-2F）为端基A单元,合成了两种A-D-A1-D-A型中带隙NFAs,命名为PZ-dIDTC6和PD-dIDTC6。由于PZ和PD具有强吸电子性,并且分子内的非共价相互作用可以锁定NFAs的分子几何结构,提高分子共平面性和分子间的堆积性能。相对于PD-dIDTC6,PZ-dIDTC6具有更好的平面性和更高的载流子迁移性能。基于PM6:PZ-dIDTC6的 OSCs 的 PCE 达到 10.91%,FF 为 74.7%,高于基于 PM6:PD-dIDTC6 的 OSCs的PCE（7.78%）和FF为（55.6%）。同时将PZ-dIDTC6作为第三组分加入到PM6:Y6二元OSCs器件中,最终得到了 17.05%的PCE。二、将PZ-dIDTC6分子内IDT单元柔性侧链由己基替换为辛基并将IC-2F端基更改为5,6-二氯-3-（二氰基亚甲基）茚-1-酮（IC-2Cl）,设计合成了中带隙NFAs材料PZ-dIDTC8和PZ-dIDTC6-2Cl。结果表明,随着烷基链的增加,PZ-dIDTC8溶解性提高。且PM6:PZ-dIDTC8器件具有更高电子迁移率。然而,PM6:PZ-dIDTC8器件电子/空穴迁移率不平衡,导致器件FF降低,光伏效率反而降低。基于 PM6:PZ-dIDTC8 的 OSCs 的 PCE 为 10.26%,FF 为 68.6%。相对于PZ-dIDTC6,氯原子的引入使得PZ-dIDTC6-2Cl的光学带隙（Egopt）降低为1.54 eV,从而有效提高太阳光利用率和器件短路电流（Jsc）。最终基于PM6:PZ-dIDTC6-2Cl 获得了 12.46%的 PCE。其中,Voc=0.96 V,Jsc=18.19 mA cm-2,FF=71.6%。进一步将PZ-dIDTC6-2Cl作为第三组分加入到PM6:Y6二元OSCs器件中,PM6:PZ-dIDTC6-2Cl:Y6三元OSCs器件最终获得了 16.39%的PCE值。

关键词：有机太阳能电池能量转换效率非富勒烯小分子受体三元器件光学带隙

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两种不同封端联芴烯衍生物的光伏性能研究

兰州交通大学学报 2020年第5期39卷 132-138,149页

作者：魏成金杨乾广张瞳俞天智兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室兰州730070 甘肃科技投资集团有限公司兰州730050

通过Suzuki-Miyaura偶联反应合成以9,9′-联芴烯为核心单元的中间体BFTT-CHO,再分别与封端基团丙二腈和1,3-茚满二酮进行Knoevenagel缩合反应,合成两种新型非富勒烯小分子受体材料BFTC(丙二腈封端)和BFTI(1,3-茚满二酮封端).通过测试热... 详细信息

通过Suzuki-Miyaura偶联反应合成以9,9′-联芴烯为核心单元的中间体BFTT-CHO,再分别与封端基团丙二腈和1,3-茚满二酮进行Knoevenagel缩合反应,合成两种新型非富勒烯小分子受体材料BFTC(丙二腈封端)和BFTI(1,3-茚满二酮封端).通过测试热稳定性、紫外吸收光谱、电化学性质,研究了BFTC和BFTI的光电特性.研究发现,封端基团种类影响材料吸收光谱、分子能级和分子堆积形态,进而改变材料的光电转换效率.BFTC和BFTI的薄膜吸收光谱范围均处于350~550nm之间;光学带隙分别为2.22eV和2.28eV;HOMO/LUMO能级分别为-5.90/-3.68eV和-5.95/3.66eV,属于典型的宽带隙受体材料.分别以BFTC和BFTI为受体、聚合物P3HT为给体、MoO3为缓冲层、Ag为阳极,采用倒置器件结构制备光伏器件.测试表明,在给受体质量比1∶1,溶剂退火时间10s的相同条件下,用BFTI作为受体材料制备的光伏器件光电转换效率可达0.93%,高于受体材料为BFTC的光伏器件.

关键词：联芴烯衍生物非富勒烯小分子受体光伏性能