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共轭聚合物的薄膜微观形貌是影响聚合物太阳能电池能量转换效率的关键因素。本论文主要通过物理和化学两种方法来调控聚合物的薄膜形貌,研究了共轭聚合物溶液结构、分子结构及其与薄膜形貌的关系;采用各种研究手段与分析方法,从分子结构、光谱和薄膜形貌等角度分析,在一定程度上揭示了获得高性能材料与器件的基本规律,这些研究手段与结果对材料设计,器件优化具有一定的参考价值:主要工作包括以下几个方面:
1.利用动/静态光散射(DLS/SLS)和透射电镜(TEM)研究了聚(3-已基噻吩)(P3HT)在四氢呋喃(THF)溶液中的热力学和动力学过程,确定其在溶液中的相图及溶液结构与薄膜形貌的关系。在溶液中,单分子链和疏松的聚集体是处于相互平衡的状态。在加热过程中,伴随着疏松的聚集体到单分子链的转变过程,实验结果表明该体系为上限临界溶液温度(UCST)相图类型。研究结果表明,由于分子间的相互作用,疏松的聚集体在溶剂挥发过程中形成薄膜中相互连接的长纳米纤维。研究溶液结构随时间变化的动力学过程,P3HT在THF溶液中存在着处于亚稳态的多层次结构,随着时间的延长,单分子链形成疏松的聚集体,疏松的聚集体塌缩形成实心球结构最后从溶液中沉淀出来,其对应的薄膜形貌也随之变化,该研究对控制溶液成膜形貌具有重大意义。
2.以PBDTTT类共轭聚合物为研究对象,通过在并噻吩(TT)单元上首次引入强拉电子官能团.砜基取代基来降低共聚物PBDTTT-S的电子能级和提高其开路电压(Voc),从而能有效的改善光伏性能。基于共轭聚合物PBDTTT-S具有较好的光谱吸收范围和较高的Voc,但是由于砜基具有比较大的空间位阻,很大程度的阻碍了分子链在薄膜中的有序堆积,故其电荷的传输和迁移率不够理想,通过在给体BDT单元的横向和纵向引入共轭噻吩环能有效的增大共轭主链的重叠面积和分子链间的有效堆积程度,因此得到共轭聚合物PBDTDTTT-S-T,它的空穴迁移率和能量转换效率都得到较大提高。基于PBDTDTTT-S-T的聚合物太阳能电池最高能量转换效率达到7.8%,与之前的PBDTTT-S相比,在同样实验条件下的效率提高了25%,同时PBDTDTTT-S-T也是目前高效率材料之一。
3.基于苯并噻二唑的两个具有相似能级和带隙的D-A共聚物的研究。通过在苯并噻二唑(BT)的两端引入噻吩基团得到二噻吩苯并噻二唑(DTIBT),与苯并二噻吩(BDT)共聚得到的聚合物PBDTDTBT的能量转换效率得到大大的提高,其能量转换效率从2.05%(PBDTBT共聚物)提高到7.30%(PBDTDTBT共聚物)。通过对比和分析这两个聚合物的分子结构、吸收系数、共混薄膜形貌和光谱动力学等研究结果,具体分析了导致他们电流和能量转换效率巨大差别的原因。较高的吸收系数、电荷分离效率、合适的相分离尺寸和高电荷迁移率造就了高效率聚合物PBDTDTBT。
4.对于苯并吡嗪类聚合物,烷氧基取代基的位置对聚合物的能级具有较大的影响,本论文具体考察了烷氧基在苯环侧基的不同位置对聚合物材料开路电压(Voc)的影响,揭示并解释了其影响机理。根据理论计算和实验结果可知,由于烷氧基对苯环的对位具有较强的供电子共振效应,从而提高了聚合物的HOMO和LUMO能级,降低了其器件的Voc,而对苯环的间位体现拉电子诱导效应,从而降低了聚合物的HOMO和LUMO能级,提高了其器件的Voc。