發(fā)布時間：2020-10-18 16:28

　　 有機太陽能電池是一種極具應用潛力的光伏技術(shù),因其重量輕、可柔性加工、低成本、可制備大面積器件等突出優(yōu)點,成為近年來國內(nèi)外光電材料領(lǐng)域的前沿和熱點。當前,為實現(xiàn)有機太陽能電池的商業(yè)化,進一步提高其能量轉(zhuǎn)換效率仍是該領(lǐng)域的焦點問題。本文主要基于對光伏材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理解,針對目前給體材料存在的缺點進行改善,設計并合成了一系列新型的基于二氟苯并噻二唑和苯并二噻吩類的高效率共軛聚合物和小分子給體材料,同時針對分子結(jié)構(gòu)和器件性能之間的關(guān)系展開了探索性研究。具體的研究工作和結(jié)果包括:1、設計合成了一系列基于二噻吩四氟苯的給體聚合物(PBT-2TPF4、PffBT-2TPF4)材料,用于得到高開路電壓和高穩(wěn)定性的聚合物有機太陽能電池器件。同時通過無規(guī)共聚合成了一系列可室溫下旋涂的高遷移率無規(guī)聚合物(PffBT-2TPF4-19/1、PffBT-2TPF4-9/1、PffBT-2TPF4-4/1)。研究發(fā)現(xiàn)基于四氟苯的聚合物具有低的HOMO能級,因此有利于得到高開路電壓,同時有利于器件的穩(wěn)定性。而通過無規(guī)共聚方式調(diào)控聚合物在溶液中的聚集程度和分子間的堆疊作用,從而得到了可在室溫下溶液旋涂的高性能聚合物,避免了高溫加工帶來的困難。基于PffBT-2TPF4-9/1:PCBM為活性層的器件得到了9.4%的能量轉(zhuǎn)換效率。通過全非鹵溶劑進一步優(yōu)化得到了9.91%的能量轉(zhuǎn)換效率,同時利用同步輻射測試手段通過對活性層薄膜形貌分析,揭示了器件性能在光照條件下衰減的機理。2、設計合成了一種新的基于含酯基的并噻吩電子受體單元(TT-Th)用于構(gòu)建寬帶隙聚合物給體材料(PBDT-TT)。研究發(fā)現(xiàn)該聚合物具有非常好的對稱結(jié)構(gòu),其薄膜下能形成非常有利于電荷傳輸?shù)拿?面堆積結(jié)構(gòu),此外,由于采用較強給體單元與弱吸電子單元的策略使得該聚合物具有淺的HOMO能級,比較藍的吸收,因此其既能與吸收在800 nm左右的ITIC類受體匹配,也能和吸收超過900 nm的近紅外受體匹配,且兩種體系都超過11%的光電轉(zhuǎn)換效率,因此展現(xiàn)出了較強的應用潛力。3、設計合成了一系列的基于苯并二噻吩為給體單元、苯并噻二唑為受體單元的A-D-A型給體小分子材料(BDT(TBTTT6)_2、BDT(TffBTTT6)_2、TBDT-T6ff BT、OBDT-T6ffBT)。并討論了氟原子側(cè)鏈與烷烴側(cè)鏈對小分子的光伏性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),在BT單元中引入氟原子可以有效調(diào)節(jié)分子能級,且其分子堆積更緊密,遷移率更高,因此具有更好的器件性能,但氟原子的引入使得其溶解性減小,而在噻吩橋環(huán)上增加烷烴側(cè)鏈后,不僅提高了其分子溶解性,同時改善了其與PCBM的共混形貌,形成了具有纖維狀的納米互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),因此進一步提高了器件性能。對于TBDT-T6ffBT:PCBM的器件在經(jīng)過添加劑和熱退火同時處理后得到了6.1%的高能量轉(zhuǎn)換效率。
【學位單位】：南昌大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

圖 1.1 經(jīng)過美國國家可更新能源實驗室（NREL）認證的各類太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率記錄，其中紅色實心圓點表示有機太陽能電池單層器件[1]Figure1.1 the various energy conversion efficiency of solar cell records by U.S. nationalrenewable energy laboratory (NREL) certification, the solid red dot represents the single-junctionorganic solar cell device.

圖 1.2 有機太陽能電池器件結(jié)構(gòu)圖Figure 1.2 The device structures of the organic solar cells.有機太陽能電池的工作原理如圖 1.3 所示，其中活性層的光電轉(zhuǎn)換的機理

圖 1.3 有機太陽能電池工作原理圖Figure 1.3 The principle schematic diagram of the organic solar cells. 有機太陽能電池的主要性能參數(shù)
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本文編號：2846537