论文部分内容阅读
作为新一代绿色能源技术的希望，可溶液加工的有机太阳能电池具有材料种类多、质量轻、制造成本低、柔性和可大面积成膜等诸多优点。经过二十年的快速发展，有机太阳能能电池的光伏性能已经取得了很大进步，单层和叠层电池的效率已经达到和突破10％。目前，材料结构创新和器件优化方法是提升有机太阳能电池性能的两个关键因素。材料结构创新着重于给体材料的设计合成，已经在材料的溶解性、光电性质调控和空穴迁移率方面积累大量经验;但是受体材料一直局限于富勒烯衍生物（PC61BM和PC71BM），未受到足够的关注而发展迟缓。采用聚合物作为受体材料替代富勒烯衍生物，全聚合物太阳能电池表现出了独特的优势，尤其聚合物给体和受体光电性质均可调控性。因此，为了提高全聚合物太阳能电池的性能，急需开发新型聚合物受体材料。 在本研究中，我们从基本的分子工程学角度出发，设计合成了一系列可溶液加工的新型萘酰亚胺类聚合物受体材料。针对聚合物的侧链和骨架进行优化和调控，以及应用于全聚合物太阳能电池，从而系统研究了分子结构设计、材料性质和器件性能之间关系。 在第一部分中，我们着眼于如何提高全聚合物太阳能电池的形貌优化，尤其增强活性层的相分离过程。为此，我们选择萘酰亚胺、噻吩、乙烯单元构建了共轭骨架设计合成了两个分子平面性较好的聚合物受体，C1和C3。聚合物C1和C3拥有烷基侧链上侧链分支点位置到萘酰亚胺氮原子之间不同的直链长度，分别是1个和3个直链碳原子。通过改变烷基侧链上分支点位置，我们实现了对聚合物光电性质和分子结晶性的调控。二维掠入射X射线衍射结果表明，随着侧链分支点位置到共轭骨架的距离增大，聚合物的结晶性能增强。这种变化的原因在于大体积侧链支点位置向外移动能够减小其空间位阻效应，有利于芳香环之间π-π堆积增强，主链平面性加强，进而促进在薄膜中分子的聚集，最终引起分子的结晶性能提高。之后，我们研究了聚合物受体结晶性能对全聚合物太阳能电池光伏性能的影响。研究结果表明，随着聚合物受体结晶性能增强，给体和受体的共混薄膜相分离程度得到加强，并且形成了聚合物受体自身聚集相。尤其，在1％DIO作用下聚合物结晶性能对共混薄膜的相分离和受体材料的自身聚集过程的影响进一步显著地提高。因此，器件的性能和电子迁移率均显著提高，最佳性能达到1.92％。此研究结果揭示了聚合物结晶性能能够为全聚合物太阳能电池活性层相分离过程提供驱动力，对聚合物受体材料的设计具有十分重要的意义。 在第二部分中，我们致力于通过对聚合物骨架的修饰，调控聚合物受体的能级和提高聚合物受体的加工性能。为此，我们设计合成了一系列含有萘酰亚胺和苯并噻二唑单元的共轭聚合物。在苯并噻二唑单元的5，6-位置上，我们引入辛基氧基团显著地提高了聚合物的溶解性和LUMO能级。在烷氧基团的增溶和给电子性质的影响下，引入烷氧基的聚合物PNDIBTOC8具有很好的加工性能，并且其LUMO能级提高到-3.72 eV。之后，我们将两种聚合物受体与聚合物PBDTTT-C-T共混制备了全聚合物太阳能电池。基于未取代的聚合物的器件获得较低的开路电压和光伏性能，分别为0.76V和1.20％;但是基于烷氧基团取代的聚合物获得了很高的电压和光伏性能，分别为0.90V和3.14％。经过优化的电池器件中给体材料PBDTTT-C-T的含量高于受体材料PNDIBTOC8的含量，不同于聚合物/富勒烯衍生物体相异质结太阳能电池中受体材料的含量更高，也说明器件中受体材料具备很好的电子传输性能。TEM结果表明PNDIBTOC8和PBDTTT-C-T的共混膜具有聚合物受体的树枝状相分离。这种树枝状连续相的形成机理虽然并不清楚，但是可能与受体材料本身的溶液加工性能相关。这种形貌不仅有利于激子在给受体界面上的分离过程，而且为电子运输过程提供了有效通道，进而实现了光伏性能和电子迁移率的大幅提高。