基于非富勒烯受体的聚合物光伏电池器件研究

发布时间：2020-05-14 08:21

【摘要】：有机太阳能电池由于其质量轻、柔性、可通过印刷制备大面积器件等优点,近些年来得到了广泛的关注。然而,有机太阳能电池在大规模产业化过程中仍面临着一些问题:相比于硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池,有机太阳能电池的能量转换效率仍然偏低;有机太阳能电池加工中所使用的溶剂通常具有较高毒性。本论文以有机太阳能电池产业化过程中面临的一些问题为出发点,采用降低成本、提高效率的策略,并且在器件制备过程中采用绿色溶剂加工,以促进有机太阳能电池的实用化展开研究工作。本论文主要分为以下四个部分:1.聚唾吩类材料具有合成简单、廉价、可大批量生产等优点,受到研究者的广泛关注,但受限于其较窄的吸收光谱,当使用富勒烯受体时,能量转换效率一直不高。在这个工作中,我们引入了非富勒烯小分子受体ITIC,其吸收光谱可以很好的与聚噻吩类材料互补,因此我们分别采用了P3HT和我们组报道的PDCBT作为给体材料,制备了器件,相应的,其能量转换效率分别为1.25%和10.16%。通过透射电镜、掠入式广角X射线衍射等形貌表征手段说明了两者效率造成差异的原因。2.叠层太阳能电池可以得到更高的能量转换效率,基于本课题组开发的窄带隙的受体材料(IEICO),我们制备了基于非富勒烯受体的叠层太阳能电池。相比于在此之前报道的后电池多采用的DPP类材料,IEICO表现出更优异的性能,其可以同时提高后电池的开路电压和短路电流密度。我们采用正向的器件结构,前电池采用本课题组报道的高效率聚合物给体材料(PBDD4T-2F),并使用ZnO/PCP-Na作为中间连接层,最终我们得到了12.8%的能量转换效率,并且该效率得到了中国计量科学院(NIM)的认证,这在当时是世界最高的能量转换效率。除了表现出较高的能量转换效率,这篇报道还是在该领域里首次使用非富勒烯受体作为活性层后电池的报道,为以后制备高效率的叠层太阳能电池提供了重要的参考意义。3.为了降低器件制备过程中使用含卤含芳香的溶剂对环境的污染和对人体的危害,我们探索了使用环境友好型的溶剂来加工制备高效率的有机太阳能电池器件。对于PBDB-T:IT-M体系,文献报道其用氯苯加工可以达到～12%的能量转换效率,但氯苯对环境及人的健康有较大危害,因此,我们选用四氢呋喃作为主溶剂进行加工,但是器件显示非常差的性能。基于此,我们采用分子设计的方法实现了绿色溶剂的加工,首先,通过对烷基侧链进行修饰,设计合成了PBDB-T-BO,该材料可以很好的溶于四氢呋喃中,之后,为了增加共辄,设计合成了PBDB-BzT,该聚合物不但可以很好的溶于四氢呋喃中,并且以PBDB-BzT:IT-M活性层体系以四氢呋喃加工的器件可以达到12.1%的能量转换效率,与PBDB-T:IT-M活性层体系以氯苯加工的器件可以达到相当的结果,从而通过分子设计策略实现了电池的绿色溶剂加工。4.为了进一步的提升开路电压,进而提高能量转换效率,降低有机太阳能电池的非辐射能量损耗是一个很好的方法。在这个工作中,我们采用一种新的方法有效的降低了有机太阳能电池的非辐射能量损耗。我们设计合成了一种小分子材料NRM-1,通过将这种小分子加入到活性层PBDB-T:IT-4F体系中,可以有效提高体系的开路电压,降低了电池的非辐射能量损耗,从而可以将效率提升13%以上。但这与传统的三元体系不同,因为NRM-1与PBDB-T和IT-4F均没有电荷转移发生,其是作为一种惰性成分存在于活性层中;并且通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、差示扫描量热法(DSC)、X射线衍射(XRD)和AFM的分析得知,小分子NRM-1能与IT-4F很好的混合从而未产生相分离,但其与PBDB-T可以发生明显的相分离。我们还将此方法应用于其它六种体系,对于非富勒烯受体体系的太阳能电池,均能起到很好的效果,能有效的提升开路电压,进而提升能量转换效率;但是对于富勒烯受体体系的太阳能电池,该方法不适用。这个工作是该领域首次报道的降低非辐射能量损失的方法,对于降低能量损失,提升开路电压,进而提高能量转换效率有着重要的意义。
【图文】：

太阳能电池,可再生能源,能量转换效率,聚合物

１．１聚合物太阳能电池结构及基本原理逡逑１．１．１聚合物太阳能电池的基本结构逡逑如图１－２所示，聚合物太阳能电池主要由五部分组成：分别为透明导电逡逑基底、透明导电电极、光活性层（ＡｃｔｉｖｅＬａｙｅｒ）、金属电极以及电极与活性层逡逑之间的界面修饰层（Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ邋Ｂｕｆｆｅｒ邋Ｌａｙｅｒ）。其中，透明导电基底一般以氧逡逑化铟锡（ＩＴＯ）负载的玻璃或者柔性ＰＥＴ最为常用，金属电极则主要包括铝逡逑（Ａ１）、银（Ａｇ）、金（Ａｕ）等。这两部分用来收集活性层产生的载流子形成逡逑光电压和光电流。金属电极以及电极与活性层之间的界面修饰层则起到了优逡逑化界面功函数，从而改善活性层与电极之间的欧姆接触，并且对调节光场分逡逑布以及器件的稳定性起到了重要的作用ｎ５，１６］。目前，，做常用的Ｐ型修饰材料逡逑为聚３，邋４－乙烯二氧噻吩／聚苯乙烯磺酸盐（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ），主要用于修饰ＩＴＯ逡逑透明电极以构建正向结构器件。Ｎ型修饰材料则为钙（Ｃａ）、镁（Ｍｇ）、ＺｎＯ、逡逑ＰＦＮ、ＰＦＮ－Ｂｒ等最为常用【１７

太阳能电池,聚合物,基本结构,活性层

逦２０１５逦２０２０逡逑图１－１聚合物太阳能电池能量转换效率进展图（美国可再生能源实验室逡逑２０１８年发布）逡逑１．１聚合物太阳能电池结构及基本原理逡逑１．１．１聚合物太阳能电池的基本结构逡逑如图１－２所示，聚合物太阳能电池主要由五部分组成：分别为透明导电逡逑基底、透明导电电极、光活性层（ＡｃｔｉｖｅＬａｙｅｒ）、金属电极以及电极与活性层逡逑之间的界面修饰层（Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ邋Ｂｕｆｆｅｒ邋Ｌａｙｅｒ）。其中，透明导电基底一般以氧逡逑化铟锡（ＩＴＯ）负载的玻璃或者柔性ＰＥＴ最为常用，金属电极则主要包括铝逡逑（Ａ１）、银（Ａｇ）、金（Ａｕ）等。这两部分用来收集活性层产生的载流子形成逡逑光电压和光电流。金属电极以及电极与活性层之间的界面修饰层则起到了优逡逑化界面功函数，从而改善活性层与电极之间的欧姆接触，并且对调节光场分逡逑布以及器件的稳定性起到了重要的作用ｎ５，１６］。目前，做常用的Ｐ型修饰材料逡逑为聚３，邋４－乙烯二氧噻吩／聚苯乙烯磺酸盐（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ），主要用于修饰ＩＴＯ逡逑透明电极以构建正向结构器件。Ｎ型修饰材料则为钙（Ｃａ）、镁（Ｍｇ）、ＺｎＯ、逡逑ＰＦＮ、ＰＦＮ－Ｂｒ等最为常用【１７，?
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM615

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