新型非富勒烯受体与水醇溶共轭聚合物的设计合成及有机太阳电池性能研究

发布时间：2020-10-14 20:07

　　 近二十年来,有机太阳电池(OSCs)作为新兴光伏技术有着低成本、低耗能、可溶液加工、柔性可卷对卷加工、环境友好等优点,引起广泛关注。从2015年至今,伴随着非富勒烯受体材料的快速发展,OSCs器件光电转换效率不断取得新纪录。其中非富勒烯小分子受体材料和聚合物受体材料分别在相应器件的活性层中扮演着关键作用,水醇溶共轭聚合物则因其独特的物理化学性质在器件界面修饰中展现重要作用。本论文围绕新型有机太阳电池材料与器件性能研究展开,可以分为以下三大部分:一是小分子非富勒烯受体材料及相关电池器件性能研究;二是全聚合物太阳电池受体材料及相关器件性能研究;三是水醇溶聚合物的合成及其阴极界面修饰性能研究。在第二章中,我们为了克服单个苝二酰亚胺(PDI)单元之间的过度聚集,研究了PDI分子非平面构型程度与共混膜形貌、器件性能之间的关系。通过对苝二酰亚胺单元的连接基团空间构型调节,设计合成了三种具有不同程度的非平面立体结构的PDI受体。V-型和X-型连接结构单元受体比线型连接结构单元受体具有更明显的非平面结构,相应的共混膜则具有更好的形貌进而利于电池器件的电荷传输以及器件短路电流密度(J_(sc))和填充因子(FF)的提高。特别是基于受体P4N4的器件获得了5.7%的光电转换效率。这些结果表明,PDI连接结构单元的空间构型调节是设计高效非富勒烯受体材料的一种有效方法。在第三章中,我们发展了具有超高开路电压(V_(oc))和超低电压损失的有机太阳电池新体系,具体采用具有PDI结构的非富勒烯受体(SFPDI、PDI4和PDI6)和给体聚合物BDT-ffBX-DT作为活性层材料。基于SFPDI的电池器件表现出6.2%的PCE以及高达1.23 V的V_(oc),这是目前为止文献报道的有机太阳电池器件V_(oc)1.20 V的最高效率。BDT-ffBX-DT:PDI电池器件的超高V_(oc)和超低电压损失来源于其非常低的非辐射复合损失(ΔV_(oc,nr)),通过其器件的高的电致发光量子效率(EQE_(EL),达到10~(–5)–10~(–4))得到证实。到目前为止,基于BDT-ffBX-DT:SFPDI电池的ΔV_(oc,nr)(0.20 V)是有机太阳电池体系报道的最优结果,可以接近高效硅晶和钙钛矿太阳电池体系水平。我们的结果表明有机太阳电池体系具有同时实现光电压和电压损失达到无机/杂化太阳电池的同等水平的潜力。在第四章中,我们设计合成了一个相对介电常数高达9.5的新型非富勒烯受体,ITIC-OE。ITIC-OE单组分电池器件中可以展现相比于ITIC明显的光电流。ITIC-OE应用于体异质结(BHJ)有机太阳电池中可以获得8.5%的PCE。而基于ITIC-OE的BHJ电池器件比基于ITIC的参比器件的效率要略低,这是其共混膜的不平衡的空穴/电子迁移率、更高的复合损失以及较差的BHJ形貌等多个方面的共同作用导致的。本质的原因是ITIC-OE的较差的结晶性和其与聚合物给体PBDB-T之间过好的混溶性,这也就转而使得相应共混膜缺少合适的相分离。这为后续研究高介电常数有机半导体材料提供了重要参考。在第五章中,我们提出了一种实现活性层理想形貌、高效率、高稳定的全聚合物太阳电池受体材料的新设计思路。利用这些新型受体材料成功实现了光电转换效率超过8.0%、填充因子超过0.75的全聚合物太阳电池,其高填充因子是由于这种新型受体聚合物在全聚合物共混膜中实现了长程有序的排列。正因为这种优异的活性层形貌,这种全聚合物电池体系具有非常好的储存稳定性和热老化寿命。为全聚合物太阳电池的发展提供新的潜在优势的受体材料选择。同时还在该体系上,通过第三组分聚合物的添加,实现在很宽的添加比例范围内都获得超过8.5%的效率的三元全聚合物太阳电池器件。总之,发展出了一种用以实现全聚合物共混膜形貌优化的有效策略,同时获得了具有未来工业化应用潜力的聚合物受体新材料。在第六章中,我们设计合成了一系列高效率、高光透过率的阴极界面修饰材料,具体结构为侧链含中性胺基或相应的溴化季铵基,主链分别含不同硫氧化态的二苯硫醚与芴单元共聚而得到。这类聚合物具有较好的阴极界面修饰性能,利用这些聚合物作为阴极界面层制备的电池器件可以获得8-9%的光电转换效率。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 有机太阳电池简介
        1.2.1 有机太阳电池发展历程
        1.2.2 有机太阳电池器件结构
        1.2.3 有机太阳电池工作原理
    1.3 有机太阳电池材料体系
        1.3.1 活性层给体材料
        1.3.2 活性层受体材料
        1.3.3 阳极界面材料
        1.3.4 阴极界面材料
    1.4 有机太阳电池性能影响因素
    1.5 本论文的研究内容和创新点
        1.5.1 本论文的研究内容
        1.5.2 本论文的创新点
第二章 非平面苝二酰亚胺类非富勒烯受体及其有机太阳电池性能研究
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 原料及试剂
        2.2.2 材料的表征仪器及设备
        2.2.3 非平面苝二酰亚胺类非富勒烯受体的合成
        2.2.4 有机太阳电池器件的制备及性能测试
        2.2.5 空间电荷限制电流（SCLC）法测试迁移率
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 材料的合成与化学结构表征
        2.3.2 材料的热学性能
        2.3.3 材料的密度泛函理论（DFT）计算分析
        2.3.4 材料的光学和电化学性能
        2.3.5 有机太阳电池器件性能
        2.3.6 空穴/电子迁移率研究
        2.3.7 活性层形貌研究
    2.4 本章小结
第三章 抑制非辐射复合损失——超高开路电压及超低电压损失的高效有机太阳电池性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 材料的表征仪器及设备
        3.2.2 有机太阳电池器件的制备及性能测试
        3.2.3 Fourier变换光电流光谱（FTPS）测试
EL)测试'>        3.2.4 电致发光外量子效率(EQE_EL)测试
        3.2.5 瞬态光电压（TPV）和电荷抽取（CE）测试
        3.2.6 空间电荷限制电流（SCLC）法测试迁移率
        3.2.7 掠入式广角X-射线散射（GIWAXS）测试
        3.2.8 共振软X-射线散射（RSoXS）测试
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 有机太阳电池的给受体材料
        3.3.2 有机太阳电池的器件性能
oc损失分析'>        3.3.3 V_oc损失分析
        3.3.4 电荷的产生、传输及复合研究
        3.3.5 活性层形貌及混溶性研究
    3.4 本章小结
第四章 一种高介电常数非富勒烯受体的设计合成及其有机太阳电池性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 原料及试剂
        4.2.2 材料的表征仪器及设备
        4.2.3 非富勒烯受体（ITIC-OE）的合成
        4.2.4 材料介电常数的测试
        4.2.5 有机太阳电池器件的制备及性能测试
        4.2.6 空间电荷限制电流（SCLC）法测试迁移率
        4.2.7 掠入式广角X-射线散射（GIWAXS）测试
        4.2.8 接触角测试
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 材料的设计与合成
        4.3.2 材料的光学和电化学性能
        4.3.3 材料的介电常数分析
        4.3.4 有机太阳电池器件性能
        4.3.5 电荷的产生、传输及复合研究
        4.3.6 活性层形貌及混溶性研究
    4.4 本章小结
第五章 聚合物受体侧链工程实现形貌最优化——高效稳定全聚合物太阳电池性能研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 原料及试剂
        5.2.2 材料的表征仪器及设备
        5.2.3 侧链含寡聚乙二醇基修饰的受体聚合物的合成
        5.2.4 接触角测试
        5.2.5 全聚合物太阳电池器件的制备及性能测试
        5.2.6 空间电荷限制电流（SCLC）法测试迁移率
        5.2.7 光学模拟
        5.2.8 掠入式广角X-射线散射（GIWAXS）测试
        5.2.9 光诱导力显微镜（PiFM）测试
        5.2.10 二次离子质谱（SIMS）测试
    5.3 受体聚合物（NOEx）及其高效稳定全聚合物太阳电池性能研究
        5.3.1 受体聚合物的设计与合成
        5.3.2 受体聚合物的光学和电化学性能
        5.3.3 给受体聚合物的表面能和混溶性
        5.3.4 全聚合物太阳电池器件性能
        5.3.5 电荷的产生、传输及复合研究
        5.3.6 活性层形貌研究
        5.3.7 器件稳定性研究
    5.4 高效稳定三元全聚合物太阳电池性能研究
        5.4.1 活性层材料及其光学和电化学性能
        5.4.2 三元全聚合物太阳电池器件性能
        5.4.3 电荷的产生、传输及复合研究
        5.4.4 活性层形貌研究
        5.4.5 器件稳定性研究
    5.5 本章小结
第六章 主链含不同硫氧化态的水醇溶聚合物及其阴极界面修饰性能研究
    6.1 引言
    6.2 实验部分
        6.2.1 原料及试剂
        6.2.2 材料的表征仪器及设备
        6.2.3 聚合物的合成
        6.2.4 有机太阳电池器件的制备及性能测试
        6.2.5 空间电荷限制电流（SCLC）法测试电子迁移率
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 材料的设计与合成
        6.3.2 材料的光学和电化学性能
        6.3.3 材料的阴极界面修饰性能
    6.4 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间所取得的学术成果
致谢
附件

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本文编号：2841127