有机聚合物共混体系相分离结构研究

发布时间：2020-10-31 09:42

　　 有机太阳能电池作为一种新型的清洁能源技术,近年来发展迅猛,目前在单结器件中的功率转换效率已突破15%。形貌调控作为有机太阳电池技术中的关键问题,长期以来受到研究者们的广泛关注。本论文聚焦于有机共轭聚合物的聚集态结构,讨论了不同外界条件下对有机聚合物共混体系相分离结构的影响。主要研究内容如下:1.利用UV-vis、GIWAXS和AFM等表征手段,分别讨论了共轭聚合物P3HT、PTB7、PBDB-T和受体组分ITIC在不同外界条件下的聚集规律。研究发现,退火处理有利于促成P3HT链聚集的形成;当退火温度高于玻璃化转变温度时,会发生结晶取向的重排,由原先的face-on取向转变为edge-on取向。我们发现PTB7在溶液中的聚集对浓度不敏感,溶液与薄膜中的聚集行为类似,但在薄膜中聚集更为强烈。共轭聚合物PBDB-T和受体组分ITIC也有同样的规律。PBDB-T在溶液中具有很强的聚集能力,但在温度高于90℃时可以解聚集。ITIC薄膜在退火过程中显示出比初始薄膜更强的结晶和更有序的排列。高温退火所产生的结晶在降温后依然存在,表明了高温退火对ITIC的结晶性具有不可逆的影响。2.总结了富勒烯体系P3HT:PC_(60)BM、非富勒烯体系PBDB-T:ITIC和PTB7:ITIC体系在不同外界条件下的一些聚集态结构的规律。结果发现,P3HT:PC_(60)BM共混薄膜的聚集态结构主要是P3HT的贡献;退火处理后,P3HT:PC_(60)BM共混薄膜会有一定的自组装堆积,有利于促成P3HT链聚集的形成。与此同时,退火后薄膜中排列较为有序,π-π堆积更加紧密。我们还发现PBDB-T:ITIC和PTB7:ITIC溶液的聚集都对浓度不敏感。不同在于,对于PBDB-T:ITIC体系,在10~(-3) M时,溶液足够浓以致于开始出现聚集,且在该浓度下共轭效应增强;而对于PTB7:ITIC体系,即使在10~(-3) M浓度下也没有出现聚集。在PBDB-T:ITIC和PTB7:ITIC体系中,face-on取向微晶相可以用热退火、ITIC含量和DIO的引入来调控。无论是本体还是共混薄膜,热退火都能提高face-on取向特征。ITIC的含量对于共混体系来说,是一个比较复杂的变量,因为需要同时考虑ITIC自身的聚集和与聚合物链段的相互作用。DIO的引入不利于微晶的生长,但后退火处理能够改善薄膜形貌。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TM914.4
【部分图文】：

1.1 共轭聚合物聚集态结构研究概述有机太阳能电池作为一种新型的清洁能源技术，具有轻质、柔性、易调节、易加工等特点。然而，形貌调控长期以来一直都是制约有机太阳电池效率的关键问题，即如何实现共混形貌拥有高结晶度的同时，具有合适的相区尺寸。共轭聚合物作为有机太阳电池活性层的关键材料，其聚集态结构直接关系到活性层的形貌调控，故而一直深受研究者们的广泛关注[1]。1.1.1 共轭聚合物的基本特征常规聚合物具有优异的绝缘性能，因此通常被称为绝缘体。然而，一些化学结构中具有交替单键和双键的合成聚合物被发现具有导电或半导体性能，如图 1-1 所示的聚噻吩。通过 Alan Heeger、Alan MacDiarmid 和 Hideki Shirakawa 的研究，在 20 世纪 70 年代发现了带有碘掺杂的聚乙炔的类金属导电性。由于他们对导电聚合物的开创性研究，在 2000 年获得了诺贝尔化学奖。

可以提高 7-8 倍。的聚集态结构类型物来说，其结构由交替的给电子 D 单元和吸电子 A能力（或强度）、分子几何结构及其相互作用决定了-A 聚合物中，供体和受体单元之间的分子内和分子间的强 π-π 堆积，可导致不同的自组装有序结构。为链间错位聚集(ADStacking)和链间同位聚集(AA(错位聚集中，两条聚合物链交错堆积，电荷转移主同位聚集中，电荷转移较容易发生在链内的 D-A 单O)主要位于供体单元，最低未占分子轨道(LUMO)供体和受体单元，可以很好地调节 D-A 聚合物体系带隙。

使体系处于不稳定区。太阳能电池形貌控制的一个关键问题是小的相区尺寸和高的聚合对于实现高效厚膜器件尤为重要。理想的共混形貌是既拥有高的结相区[18]，具体说来，既要求给受体之间能形成有合适的区域尺寸，散至界面处，也要求界面处给受体能够采取相同分子取向，以有效受体还要形成双连续相，这样有利于载流子传输到两极。机太阳电池活性层相分离结构调控的发展现状春课题组[19]合成了以噻吩衍生物单元(PDBT-TT)为基础的 D-A 共良好的光各向异性及折叠链排列的纤维形貌。在添加 PS 后，形成其引起的解缠结和分子链的排列（如图 1-3 所示）。此外，分子内和也得到增强，形成更普遍的红移吸收带和更小的 π-π 堆积周期(从可归因于长链内接合的相邻节段间具有较强的吸引力和较小的空间
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本文编号：2863781