高效非富勒烯聚合物太阳能电池的制备与性能优化

发布时间：2020-03-30 11:01

【摘要】：近年来,非富勒烯聚合物太阳能电池(NF-PSCs)成为国内外能源科学和材料领域的研究热点,这得益于非富勒烯受体材料尤其是n-型有机半导体材料(n-OS)的飞速的发展。目前,研究的焦点是如何进一步提高NF-PSCs的能量转换效率(PCE),并实现工业化生产。本论文主要围绕宽带隙氟取代聚合物给体材料(PM6)与窄带隙小分子非富勒烯受体材料共混制备高效率的NF-PSCs,探索器件的各性能参数与活性层材料的特性和共混薄膜的微观形貌之间的相互关系,以及制备并探究了大面积、柔性NF-PSCs的光伏性能,取得的主要研究成果如下:1.以氟取代的宽带隙聚合物给体材料PM6和小分子非富勒烯受体ITIC为研究对象,制备有机光伏器件并对器件性能进行研究。其中,PM6作为聚合物给体材料,具有较宽的光学带隙(1.8 eV)和较低的HOMO能级(-5.50 eV),以及较强的结晶性和以Face on取向为主的分子结构。经过器件优化,在DIO和热退火的协同作用下,基于PM6:ITIC的活性层获得了宽而强的光谱吸收,平衡的空穴/电子迁移率和良好的相分离尺寸,从而光伏器件获得了高达9.7%的能量转化效率;同时获得了高达1.04 V的V_(oc)和16.0 mA cm~(-2)的Jsc。值得注意的是,PM6和ITIC之间的HOMO能级差(ΔE_(HOMO))仅有0.10 eV,仍然可以获得高效的空穴传输;且能量损失(E_(loss))低为0.51 eV。9.7%的能量转换效率是基于V_(oc)大于1 V且E_(loss)小于0.55 eV的非富勒烯聚合物太阳能电池中文献报道的最高值。2.为了进一步提高光伏器件的能量转化效率,我们使用结晶性更强的窄带隙非富勒烯受体IDIC为受体,以PM6为给体,共混制备非富勒烯聚合物太阳能电池。其中,PM6和IDIC的能级匹配、吸收互补且PM6具有较强的结晶性和π-π堆积的分子结构;所以,基于PM6:IDIC体系在活性层不需要任何特殊处理的情况下简单制备的PSCs就可以获得高达11.9%的PCE,同时获得了高达0.97 V的V_(oc)、17.8 mA cm~(-2)的J_(sc)以及69%的FF。11.9%的PCE是当时文献报道的单结PSCs中不需要后处理的最高效率。同时,为了研究该聚合物太阳能电池的实际应用潜力,我们制备了不同活性层厚度和不同器件面积的聚合物太阳能电池,发现在活性层膜厚范围为95-255 nm、器件面积为0.20-0.81 cm~2之间时均可以获得超多11%的能量转换效率。当器件面积高达1.25 cm~2时,初步优化的柔性聚合物太阳能电池依然收获了6.54%的能量转换效率。上述结果表明,该活性层体系适用于高效柔性大面积器件的简单(无后处理)制备,一定程度上推动了聚合物太阳能电池的产业化进程。
【图文】：

年来发展起来的一种新型光伏技术，其核心是利用高分子/有机光电转换材料将光转换成电能。与传统的无机半导体光伏材料相比，，有机太阳能电池具有质量轻、成低、制备工艺简单、可制备柔性和半透明器件等突出优点；尤其是薄、轻、柔是无半导体太阳能电池不可替代的优点（如图 1.1 所示），被视为最有希望取代传统石能源的新能源电池之一[1-3]。

溶性/C60衍生物的“本体异质结”（bulk he池由 Heeger 研究组的俞钢等发明，从而使的的电荷分离效率低的问题得以解决[7]。因见图 1.2）可以有效地提高了能量转换效率体异质结结构来研究有机太阳能电池的性
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2607466