高效厚膜光伏器件研究

发布时间：2020-10-11 14:02

　　 在过去几年里,有机太阳电池得到了突飞猛进的发展。由于非富勒烯受体的开发和器件工程的发展,单结有机太阳电池已经取得了超过16%的光电转换效率。为了进一步推动有机太阳电池的发展,需要发展能够在厚膜状态下仍能取得高效率的有机太阳电池材料(包括界面材料和光活性层材料)以满足大面积加工技术的要求。此外,还需要发展基于高效有机太阳电池的厚膜加工工艺、绿色溶剂加工工艺,制备可绿色溶剂加工高效大面积有机太阳电池。本论文分别从电子传输层和光活性层的材料设计与器件优化出发,制备了具有厚度不敏感特性的电子传输层和光活性层,并开发了一系列高效的厚膜器件。首先在厚膜界面材料方面,我们制备了一系列含不同对离子的基于萘并酰亚胺环的n型共轭聚电解质(PNDIT-F3N-F、PNDIT-F3N-Cl、PNDIT-F3N-Br、PNDIT-F3N-BIm_4、PNDIT-F3N-BArF_4)。研究发现,对离子的体积会影响共轭聚电解质的醇溶性和光学性能。对离子的种类会直接影响共轭聚电解质的自掺杂性能以及电荷传输性能。这些共轭聚电解质作为电子传输材料制备有机太阳电池,光电转换效率可达10.5%。当共轭聚电解质的厚度达到80 nm时,器件仍然可以维持9.5%的光电转换效率。另外,我们采用一系列吸收范围可调的水醇溶共轭聚合物NNT-Br、NNTT-Br、NNTT_O-Br和NNTT_(OO)-Br作为电子传输材料,给受体PBDB-T-2Cl:IT-4F作为光活性层,分别制备电子传输层厚度为5 nm、20 nm、50 nm和100 nm的有机太阳电池,其中NNT-Br、NNTT-Br和NNTT_O-Br的最佳厚度都为20 nm,器件的光电转换效率最高可达到14.1%,而NNTT_(OO)-Br的最佳厚度为50 nm,表明了它们都具有优异的厚度不敏感特性。PNDIT-F3N-Br作为电子传输层,我们进一步研究了厚膜活性层材料(萘二并噻二唑类给体NT812)在非富勒烯有机太阳电池中的性能。采用了非卤代溶剂邻二甲苯作为加工溶剂,在添加1%体积比的N-甲基吡咯烷酮的条件下,以ITIC为受体制备的有机太阳电池的光电转换效率达到了8.24%。此外,器件还表现出厚度不敏感特性和长期的热稳定性。之后,我们使用与NT812吸收互补的小分子IEICO-4F作为受体,采用一种时间依赖预聚集的方法,有效地调控了共混膜的相分离形貌和厚度,并实现了高效厚膜有机太阳电池。在活性层厚度为140 nm时器件得到最高光电转换效率为10.31%,活性层厚度为200 nm时器件的光电转换效率维持在9.32%。此外,我们通过对高度结晶的聚合物主链进行重新排列,与非富勒烯受体组合制备高效厚膜有机太阳电池。单氟苯并噻二唑类规整聚合物2TRR由于具有较高的结晶度和较低的迁移率,它与非富勒烯受体组合制备的有机太阳电池的光伏性能相对较差。通过主链重排形成的无规共聚物2TRA分别与非富勒烯小分子O-IDTBR和IEICO-4F组合的光活性层具有较为合适的共混形貌、较高的激子生成速率、更高效的激子解离和更弱的复合。制备的有机太阳电池的光电转换效率分别为10.08%和12.06%。此外,基于2TRA的器件可以由各种无毒/绿色溶剂进行加工,并都表现出较好的光伏性能。基于2TRA制备的有机太阳电池在活性层厚度为100-300 nm范围表现出厚度不敏感的特性,其还具有良好的光稳定性,在大面积稳定的有机太阳电池应用中具有广阔的前景。最后,我们以具有高迁移率的聚噻吩衍生物P4T2F-HD作为给体制备厚膜非富勒烯有机太阳电池。通过分析目前高效的聚合物给体的合成成本,我们证实了P4T2F-HD具有相对较低的合成复杂指数。以ITIC-Th1为受体,采用非卤代溶剂邻二甲苯作为加工溶剂,在没有额外处理的条件下,制备的有机太阳电池的光电转换效率最高可达到10.18%。光活性层的厚度为300 nm时,器件的光电转换效率依然能保持在9%以上,填充因子也能保持在70%。这些结果表明了基于P4T2F-HD的有机太阳电池具有低成本、可绿色溶剂加工、不需要额外处理和厚度不敏感等优点,在应用于可印刷加工工艺制备大面积有机太阳电池具中有巨大的潜力。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

使其可以制造具有成本竞争力的以塑料为基片的柔性太ic solar cells，OSCs）材料的化学用途广泛，并且可以在，有机共轭聚合物正逐渐成为可通过溶液加工技术制备伏器件的重要候选材料[11, 12]。本体异质结有机太阳电池概念首次提出以来[13]，光活性以及器件中的界面工程等方面的发展，推动了太阳电池电池器件的最高光电转换效率（power conversion effici4]，而经过美国国家可再生能源实验室权威认证的单结器5]，如图 1-1 所示。而串联有机太阳电池器件的效率达到机太阳电池器件是存在一些缺陷的：如使用卤代溶剂作伏材料层厚度和器件制造气氛的敏感性。此外，成本和键问题。因此，探索低成本、高性能的有机太阳电池材业化的一个迫切的学术和工业挑战。
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本文编号：2836686