给/受体协同组装及表面组装取向诱导调控聚合物太阳能电池界面形貌及其光伏性能

【摘要】：有机聚合物太阳能电池由于在低成本、轻重量方面的优势，同时具有器件结构可调、可弯曲、可卷对卷制备大面积电池的特色，现在受到国内外研究者越来越多的关注。而窄带隙的聚合物，由于可以通过结构改进来调节其吸光范围、溶解性、成膜性等，现在已经成为有机太阳能电池中效率最高的一类给体。对器件结构的设计和优化，同样可以达到提高器件效率和稳定性的目的。现在有机太阳能电池不能商业化就是因为光伏效率和稳定性不够理想。本文就是正对这两个问题，通过有机方法来达到提高器件光电转换效率和稳定性。 本文合成了两种基于三乙二醇甲醚(TEO)的聚合物给体和富勒烯受体：分别是聚{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-alt-4,6-噻吩并[3,4-b]噻吩-2-碳酸2-[2-(2-甲氧基-乙氧基)-乙氧基]-乙酯}(PBDTT-TT-TEO)和[6,6]-苯基C61丁酸2-[2-(2-甲氧基-乙氧基)-乙氧基]-乙酯(PCB-TEO)，被设计来调控自组装纳米形貌和提高聚合物太阳能电池光活性层的稳定性。聚合物{4,8-二(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-alt-4,6-噻吩并[3,4-b]噻吩-2-碳酸2-(2-乙基)己酯}(PBDTT-TT)也被合成作为对照。与共轭聚合物PBDTT-TT相比，TEO侧链可以使PBDTT-TT-TEO形成更有序的堆叠，将器件效率(PCE)从3.6%(基于PBDTT-TT:PCBM的器件)提高到4.1%。直接将PBDTT-TT-TEO与PCB-TEO共混作为活性层材料没有得到很高的效率，这是因为PCB-TEO的溶剂柔性很差，使得膜的形貌很不平滑。然而将少量PCB-TEO加入到PBDTT-TT-TEO:PCBM体系可以很大程度上提高器件效率。这是因为PCB-TEO可以作为增溶剂来很好的调控给受体的相容性；同时通过协同组装作用来获得良好的体相异质结形貌。加入5%PCB-TEO后，可以得到最高4.8%的PCE，短路电流(Jsc)为12.18mA/cm2，开路电压(Voc)为0.722V，填充因子(FF)为55.0%；与基于PBDTT-TT:PCBM的器件相比几乎提高了33%的PCE。此外PCB-TEO移到给受体的界面，可以增强PBDTT-TT-TEO与PCBM的相互作用。最终提高了光伏器件稳定性。 与正向聚合物太阳能电池相比，反向器件有更好的稳定性。我们设计了一种新型的含有末端双键的液晶小分子4'-{(7-辛烯基)氧基}-[1,1'-联苯]-4-醇(LB-V)来修饰电子传输层ZnO，来提高器件的效率和稳定性。ZnO直接作为电子传输层，基于PBDTT-TT-TEO:PCBM的反向器件可以得到3.5%的效率；加入小分子后，通过氢键作用，ZnO的表面得到了修饰，效率可以达到3.8%；通过退火，再通过双键紫外处理，其排列更加有序，形貌更平滑，ZnO电子传输层的形貌得到了稳固，达到了最优的效率4.2%。由于双键对于缓冲层形貌的稳定，器件的整体稳定性也得到了提高。 【关键词】：聚合物太阳能电池 增溶剂 协同组装 ZnO 退火 液晶性 稳定性
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O631.24
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-30
• 1.1 引言9-10
• 1.2 有机太阳能电池10-15
• 1.2.1 有机太阳能电池的工作原理10-12
• 1.2.2 有机聚合物太阳能电池的结构12-13
• 1.2.3 有机太阳能电池的各项性能参数13-15
• 1.3 有机聚合物太阳能电池中共轭聚合物给体材料的设计及应用15-26
• 1.3.1 共轭聚合物的结构特性15-16
• 1.3.2 合理的设计共轭聚合物的主干16-18
• 1.3.3 用于聚合物太阳能电池的理想聚合物“弱给体-强受体”结构18-24
• 1.3.4 取代基对聚合物性能的影响24
• 1.3.5 侧链对有机太阳能电池性能的影响24-26
• 1.4 有机太阳能电池中受体材料的应用26-28
• 1.4.1 富勒烯衍生物26-27
• 1.4.2 基于聚合物的受体材料27-28
• 1.4.3 其它小分子受体材料28
• 1.5 本课题提出的意义和研究内容28-30
• 第2章 三乙二醇甲醚侧链的协同作用用于提高有机体相异质结太阳能电池的性能30-48
• 2.1 引言30-31
• 2.2 实验部分31-35
• 2.2.1 实验原料及主要试剂31-32
• 2.2.2 实验仪器和表征手段32-33
• 2.2.3 器件的制备及性能测试33
• 2.2.4 合成步骤33-35
• 2.3 结果与讨论35-47
• 2.3.1 单体及聚合物的表征35-36
• 2.3.2 聚合物的热稳定性及电学性能36-38
• 2.3.3 聚合物的光学及结晶性38-39
• 2.3.4 器件性能研究39-42
• 2.3.5 共混活性层的光学性能及形貌研究42-45
• 2.3.6 器件的热稳定性研究45-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第3章 液晶小分子/ZNO的表面组装诱导取向用于提高聚合物太阳能电池的光伏性能48-58
• 3.1 引言48-49
• 3.2 实验部分49-51
• 3.2.1 实验原料及主要试剂49
• 3.2.2 实验仪器与表征49-50
• 3.2.3 ZnO 前聚体的合成与器件的制备50-51
• 3.2.4 合成步骤51
• 3.3 结果与讨论51-56
• 3.3.1 小分子 LB-V 的结构表征51-52
• 3.3.2 小分子 LB-V 的热稳定性表征52-53
• 3.3.3 小分子 LB-V 修饰 ZnO 改善光伏器件性能53-54
• 3.3.4 小分子 LB-V 修饰 ZnO 作为缓冲层对器件性能影响的原因及讨论54-56
• 3.3.5 器件稳定性研究56
• 3.4 本章小结56-58
• 第4章 结论与展望58-60
• 4.1 结论58
• 4.2 展望58-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-71
• 攻读学位期间的研究成果71

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