功能化两亲性富勒烯衍生物界面材料的合成、性能及其应用研究
发布时间：2020-08-13 12:50
【摘要】：以有机半导体材料作为核心层的聚合物/有机太阳能电池(PSCs)具有低成本、轻质量、制备工艺简单、可柔性化等优点。通过对PSCs器件内部各界面层进行调控,特别是在阴极界面层引入共轭聚电解质和功能化富勒烯衍生物等界面材料一直是获得高效PSCs器件的重要途径。本论文的研究工作主要是围绕功能化两亲性富勒烯衍生物的合成,溶剂诱导自组织行为以及其在反式PSCs中的应用展开的。基于功能化富勒烯衍生物作阴极界面修饰材料的PSCs器件能够获得较高的转换效率。我们分别合成了亲水链段醚链化、胺基化、季铵盐化、磺酸盐化以及醚链混季铵盐化的五类功能化两亲性富勒烯衍生物,并将这系列材料用作PSCs器件的阴极界面修饰材料。研究发现该功能化富勒烯衍生物层的引入及其自组织行为,显著增强了无机缓冲层与有机活性层之间的界面兼容性,同时还能减低该界面处的界面势垒,最终促进器件效率显著提升。本论文具体研究内容如下:(1)以富勒烯嵌段和芴结构为共轭主链,设计并合成了芴结构侧链所含多种极性基团(醚链、胺基、季铵盐和磺酸盐)的四个两嵌段富勒烯衍生物C_(60)-2BEFPE、C_(60)-2DPE、C_(60)-4HTPB和C_(60)-PHFBS;并通过对亲水嵌段共轭主链结构长短(长度分为一个或两个共轭芴结构)的调整设计并合成了两个亚三嵌段富勒烯衍生物C_(60)-2TEBPE和C_(60)-4TPB;最后通过调整极性基团所处位置的不同设计并合成了三个三嵌段富勒烯衍生物C_(60)-PEHBS、C_(60)-2HMTPB和C_(60)-2EHTPB。通过对这三类功能化富勒烯衍生物紫外吸收光谱比较发现:具有相同的亲水嵌段和富勒烯衍生物的紫外吸收光谱类似,且富勒烯衍生物自身的紫外吸收性能是由亲水嵌段和疏水嵌段共同相互作用所决定的;同类富勒烯衍生物的紫外吸收光谱也会随着共轭主链芴结构数量的增加而出现一定程度的红移现象。(2)通过原子力显微镜研究了合成的三类富勒烯衍生物在氧化锌(ZnO)表面的成膜状况并通过紫外光电子能谱(UPS)研究了各富勒烯衍生物对ZnO能级提升的影响。研究发现,不同的富勒烯衍生物亲水嵌段侧链所含极性基团种类和数量的不同,该富勒烯衍生物与ZnO之间的浸润性也不同,因此在ZnO表面成膜的形态也不一样;如与ZnO之间浸润性较好的富勒烯衍生物C_(60)-4HTPB、C_(60)-PHFBS、C_(60)-2BEFPE、C_(60)-2TEBPE和C_(60)-2EHTPB均能在ZnO表面形成较均一的膜层,而与ZnO之间浸润性差的富勒烯衍生物C_(60)-2DPE、C_(60)-4TPB、C_(60)-PEHBS和C_(60)-2HMTPB在ZnO表面则形成的是褶皱状的膜层。通过UPS测试研究表明,不同富勒烯衍生物对ZnO性能提升也不同,其中提升最好的是三嵌段富勒烯衍生物C_(60)-2EHTPB;经C_(60)-2EHTPB修饰的ZnO的HOMO和LUMO能级能分别从-7.78eV和-4.58eV提升到-6.79eV和-3.77eV,该结果与C_(60)-2EHTPB和ZnO之间的良好浸润性是相符合的。(3)通过引入甲苯溶剂诱导研究了两亲性富勒烯衍生物在ZnO表面发生的自组织行为,且该行为能通过X射线衍射(XRD)和表面接触角测试所证实。两亲性的富勒烯衍生物在甲苯溶剂诱导下,更多的亲水嵌段会自发的朝向ZnO端排列分布,同时更多的疏水嵌段(富勒烯结构)会朝向远离ZnO的方向分布,该自组织行为会引起ZnO/富勒烯衍生物样品表面排列的富碳元素的富勒烯结构增多,通过X射线光电子能谱(XPS)测试的样品表面的碳元素含量会明显增加。(4)将合成的两亲性富勒烯衍生物作为阴极界面修饰材料应用到活性层为PTB7-Th:PC_(71)BM体系的PSCs器件中,并研究了不同制备工艺(溶剂诱导和非溶剂诱导)对电池器件性能的影响。研究发现功能化富勒烯衍生物的引入能有效的提升ZnO与有机活性层之间的界面兼容性,促进电子在该界面处的传输,最终能明显提升器件的光电转换效率(PCE)。通过对不同制备工艺之间的比较发现:对于两嵌段的富勒烯衍生物,未甲苯溶剂诱导能获得PCE更高的电池器件;对于亚三嵌段富勒烯衍生物,甲苯溶剂诱导能获得PCE更高的电池器件;对于三嵌段富勒烯衍生物,甲苯溶剂诱导对相关电池器件PCE影响没有明显规律,相关原因还有待进一步研究。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304.5;TM914.4
【图文】：
图 1- 1 聚合物太阳能电池结构示意图池简介工作原理用光入射到半导体的异质结或金是光激发产生的电子空穴对被各太阳光辐照下，光伏材料被激发产离并向两极传输，最后被分别收与激子的形成、激子的扩散与分1-2 所示，对各个步骤具体描述如成极照射到活性层时，能量（hν）体（donor）材料中电子从最高占
图 1- 2 聚合物太阳能电池工作原理1.2.2 聚合物太阳能电池伏安特性曲线PSCs 器件性能主要是由短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）[4-5]
（3）填充因子填充因子（FF）为一定负载下电池最大输出功率值（Pmax=Vmax*Jmax）与短路电流Jsc和开路电压Voc乘积的比值，即图1-3中蓝色区域和灰色区域面积的比值。Pmax 为最大工作电流与最大工作电压乘积。填充因子是考量电池输出性能的一个最重要参数，具有实用价值的太阳能电池的填充因子为 0.6~0.75。FF 通常由两相的相分离、载流子迁移率、电极界面的接触以及体相的缺陷态等多种因素的影响。FF 表达式如公式（1-1）：FF = （1- 1）（4）光电转换效率
本文编号：2792019
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304.5;TM914.4
【图文】：
图 1- 1 聚合物太阳能电池结构示意图池简介工作原理用光入射到半导体的异质结或金是光激发产生的电子空穴对被各太阳光辐照下，光伏材料被激发产离并向两极传输，最后被分别收与激子的形成、激子的扩散与分1-2 所示，对各个步骤具体描述如成极照射到活性层时，能量（hν）体（donor）材料中电子从最高占
图 1- 2 聚合物太阳能电池工作原理1.2.2 聚合物太阳能电池伏安特性曲线PSCs 器件性能主要是由短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）[4-5]
（3）填充因子填充因子（FF）为一定负载下电池最大输出功率值（Pmax=Vmax*Jmax）与短路电流Jsc和开路电压Voc乘积的比值，即图1-3中蓝色区域和灰色区域面积的比值。Pmax 为最大工作电流与最大工作电压乘积。填充因子是考量电池输出性能的一个最重要参数，具有实用价值的太阳能电池的填充因子为 0.6~0.75。FF 通常由两相的相分离、载流子迁移率、电极界面的接触以及体相的缺陷态等多种因素的影响。FF 表达式如公式（1-1）：FF = （1- 1）（4）光电转换效率
本文编号：2792019
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