新型共轭聚合物光伏材料的设计合成及光伏特性研究

【摘要】：聚合物太阳电池因其具有制备工艺简单、重量轻、易制备大面积柔性器件等优点而被广泛关注。由共轭聚合物给体与富勒烯共混而成的本体异质结结构是聚合物太阳电池中应用最成功的器件结构,共轭聚合物在该体系中起着吸收太阳光,传输空穴等作用,是决定太阳电池性能的关键材料。本论文的主要工作是基于萘并[2,3-c]噻吩-4,9-二酮(NTD)和苯并[1,2-c：4,5-c']二噻吩-4,8-二酮(BDD)单元设计并合成出新型的聚合物给体材料。 主要工作内容摘要如下： 1、我们将噻吩并吡咯二酮(TPD)单元的氮原子换成了苯环,以提高该单元的平面性,合成出了萘并[2,3-c]噻吩-4,9--酮(NTD)受体单元。基于该受体单元,我们设计并合成了四种共轭聚合物P1-P4。其中,P1在300-700nnm范围内有较宽的吸收,较低的HOMO能级及较好的π-π堆积,表现出最好的性能。基于P1:PC61BM所制备的器件获得了1V的开路电压,能量转换效率最高可达4.24%。 2、为了减小噻吩桥上烷基链对主链平面性的影响,以进一步提高聚合物P1的性能,我们改变了噻吩桥上烷基侧链的位置。合成出了一种新的受体单元,苯并[1,2-c：4,5-c']二噻吩-4,8-二酮(BDD)。并基于BDT和BDD单元合成了聚合物P6。因具有很好的分子平面性,P6在溶液中表现出很强的聚集现象,并且该溶液聚集程度依赖于温度变化。基于P6:PC61BM为活性层的聚合物太阳电池,其VOC、JSC、 FF分别为0.85V、11.85mA/cm2.65.3%,能量转换效率高达6.58%。 3、聚合物在溶液中聚集是一种非常重要的物理现象,它可以对薄膜的形貌产生影响。大量的实验已经证明溶液中聚合物的聚集状态在旋涂过程中可以被保留并存在于薄膜中进而影响薄膜的形貌。由于P6在溶液中表现出很强的聚集,并且在溶液加热到100℃时聚集现象消失,因此,我们制备了A、B两组器件,其中,用于制备活性层的溶液分别在30℃(A)和90℃(B)两个温度下搅拌均匀。器件B的能量转换效率要比器件A低30%。通过对两组器件的薄膜形貌研究,我们发现,器件B活性层中的聚集体尺寸要大于器件A中的聚集体,因而导致较低的开路电压和填充因子。这一工作为揭示共混膜形貌与溶液加工温度之间的关系提供了一种很好的途径。 4、规整的聚噻吩类衍生物因较好的结晶性能而具有高的电荷迁移率,并被人们广泛研究。但其较高的HOMO能级和较窄的吸收导致较低的开路电压和短路电流。为了解决这一难题,我们基于BDD单元采用D-A共聚的方式合成了四种聚噻吩类衍生物。BDD单元的强吸电子能力成功的降低了聚合物的HOMO能级和带隙宽度。而且,四种聚合物都具有很好的结晶性能。其中,P10显示出了最好的光伏性能,基于P10:PC70BM的光伏器件效率达到了6.64%,VOC、JSC、FF分别为0.84V、11.20mA/cm2、70.6%。 5、为了研究交联型聚合物对本体异质结器件活性层形貌及器件热稳定性的影响,我们合成了带有溴基团的光交联型D-A共聚物：P13、P14。基于P13或P14的聚合物太阳电池器件的初始效率与基于无交联基团的聚合物的光伏器件相当。P13与P14经紫外处理后,其烷基链末端的溴基团会脱去并发生交联,经交联后的聚合物薄膜具有很好的抗溶剂性。我们基于交联型和非交联型的聚合物分别制备了光伏器件,经热退火24小时后,基于非交联型聚合物的器件效率下降了60%,而经交联后的器件则只下降了40%,这说明聚合物交联能有效提高器件的热稳定性。