【摘要】：以有機(jī)半導(dǎo)體材料作為核心層的聚合物/有機(jī)太陽能電池(PSCs)具有低成本、輕質(zhì)量、制備工藝簡單、可柔性化等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)PSCs器件內(nèi)部各界面層進(jìn)行調(diào)控,特別是在陰極界面層引入共軛聚電解質(zhì)和功能化富勒烯衍生物等界面材料一直是獲得高效PSCs器件的重要途徑。本論文的研究工作主要是圍繞功能化兩親性富勒烯衍生物的合成,溶劑誘導(dǎo)自組織行為以及其在反式PSCs中的應(yīng)用展開的�；诠δ芑焕障┭苌镒麝帢O界面修飾材料的PSCs器件能夠獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。我們分別合成了親水鏈段醚鏈化、胺基化、季銨鹽化、磺酸鹽化以及醚鏈混季銨鹽化的五類功能化兩親性富勒烯衍生物,并將這系列材料用作PSCs器件的陰極界面修飾材料。研究發(fā)現(xiàn)該功能化富勒烯衍生物層的引入及其自組織行為,顯著增強(qiáng)了無機(jī)緩沖層與有機(jī)活性層之間的界面兼容性,同時(shí)還能減低該界面處的界面勢壘,最終促進(jìn)器件效率顯著提升。本論文具體研究內(nèi)容如下:(1)以富勒烯嵌段和芴結(jié)構(gòu)為共軛主鏈,設(shè)計(jì)并合成了芴結(jié)構(gòu)側(cè)鏈所含多種極性基團(tuán)(醚鏈、胺基、季銨鹽和磺酸鹽)的四個(gè)兩嵌段富勒烯衍生物C_(60)-2BEFPE、C_(60)-2DPE、C_(60)-4HTPB和C_(60)-PHFBS;并通過對(duì)親水嵌段共軛主鏈結(jié)構(gòu)長短(長度分為一個(gè)或兩個(gè)共軛芴結(jié)構(gòu))的調(diào)整設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)亞三嵌段富勒烯衍生物C_(60)-2TEBPE和C_(60)-4TPB;最后通過調(diào)整極性基團(tuán)所處位置的不同設(shè)計(jì)并合成了三個(gè)三嵌段富勒烯衍生物C_(60)-PEHBS、C_(60)-2HMTPB和C_(60)-2EHTPB。通過對(duì)這三類功能化富勒烯衍生物紫外吸收光譜比較發(fā)現(xiàn):具有相同的親水嵌段和富勒烯衍生物的紫外吸收光譜類似,且富勒烯衍生物自身的紫外吸收性能是由親水嵌段和疏水嵌段共同相互作用所決定的;同類富勒烯衍生物的紫外吸收光譜也會(huì)隨著共軛主鏈芴結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加而出現(xiàn)一定程度的紅移現(xiàn)象。(2)通過原子力顯微鏡研究了合成的三類富勒烯衍生物在氧化鋅(ZnO)表面的成膜狀況并通過紫外光電子能譜(UPS)研究了各富勒烯衍生物對(duì)ZnO能級(jí)提升的影響。研究發(fā)現(xiàn),不同的富勒烯衍生物親水嵌段側(cè)鏈所含極性基團(tuán)種類和數(shù)量的不同,該富勒烯衍生物與ZnO之間的浸潤性也不同,因此在ZnO表面成膜的形態(tài)也不一樣;如與ZnO之間浸潤性較好的富勒烯衍生物C_(60)-4HTPB、C_(60)-PHFBS、C_(60)-2BEFPE、C_(60)-2TEBPE和C_(60)-2EHTPB均能在ZnO表面形成較均一的膜層,而與ZnO之間浸潤性差的富勒烯衍生物C_(60)-2DPE、C_(60)-4TPB、C_(60)-PEHBS和C_(60)-2HMTPB在ZnO表面則形成的是褶皺狀的膜層。通過UPS測試研究表明,不同富勒烯衍生物對(duì)ZnO性能提升也不同,其中提升最好的是三嵌段富勒烯衍生物C_(60)-2EHTPB;經(jīng)C_(60)-2EHTPB修飾的ZnO的HOMO和LUMO能級(jí)能分別從-7.78eV和-4.58eV提升到-6.79eV和-3.77eV,該結(jié)果與C_(60)-2EHTPB和ZnO之間的良好浸潤性是相符合的。(3)通過引入甲苯溶劑誘導(dǎo)研究了兩親性富勒烯衍生物在ZnO表面發(fā)生的自組織行為,且該行為能通過X射線衍射(XRD)和表面接觸角測試所證實(shí)。兩親性的富勒烯衍生物在甲苯溶劑誘導(dǎo)下,更多的親水嵌段會(huì)自發(fā)的朝向ZnO端排列分布,同時(shí)更多的疏水嵌段(富勒烯結(jié)構(gòu))會(huì)朝向遠(yuǎn)離ZnO的方向分布,該自組織行為會(huì)引起ZnO/富勒烯衍生物樣品表面排列的富碳元素的富勒烯結(jié)構(gòu)增多,通過X射線光電子能譜(XPS)測試的樣品表面的碳元素含量會(huì)明顯增加。(4)將合成的兩親性富勒烯衍生物作為陰極界面修飾材料應(yīng)用到活性層為PTB7-Th:PC_(71)BM體系的PSCs器件中,并研究了不同制備工藝(溶劑誘導(dǎo)和非溶劑誘導(dǎo))對(duì)電池器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)功能化富勒烯衍生物的引入能有效的提升ZnO與有機(jī)活性層之間的界面兼容性,促進(jìn)電子在該界面處的傳輸,最終能明顯提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。通過對(duì)不同制備工藝之間的比較發(fā)現(xiàn):對(duì)于兩嵌段的富勒烯衍生物,未甲苯溶劑誘導(dǎo)能獲得PCE更高的電池器件;對(duì)于亞三嵌段富勒烯衍生物,甲苯溶劑誘導(dǎo)能獲得PCE更高的電池器件;對(duì)于三嵌段富勒烯衍生物,甲苯溶劑誘導(dǎo)對(duì)相關(guān)電池器件PCE影響沒有明顯規(guī)律,相關(guān)原因還有待進(jìn)一步研究。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN304.5;TM914.4
【圖文】：

圖 1- 1 聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖池簡介工作原理用光入射到半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)或金是光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)被各太陽光輻照下，光伏材料被激發(fā)產(chǎn)離并向兩極傳輸，最后被分別收與激子的形成、激子的擴(kuò)散與分1-2 所示，對(duì)各個(gè)步驟具體描述如成極照射到活性層時(shí)，能量（hν）體（donor）材料中電子從最高占

圖 1- 2 聚合物太陽能電池工作原理1.2.2 聚合物太陽能電池伏安特性曲線PSCs 器件性能主要是由短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）[4-5]

（3）填充因子填充因子（FF）為一定負(fù)載下電池最大輸出功率值（Pmax=Vmax*Jmax）與短路電流Jsc和開路電壓Voc乘積的比值，即圖1-3中藍(lán)色區(qū)域和灰色區(qū)域面積的比值。Pmax 為最大工作電流與最大工作電壓乘積。填充因子是考量電池輸出性能的一個(gè)最重要參數(shù)，具有實(shí)用價(jià)值的太陽能電池的填充因子為 0.6~0.75。FF 通常由兩相的相分離、載流子遷移率、電極界面的接觸以及體相的缺陷態(tài)等多種因素的影響。FF 表達(dá)式如公式（1-1）：FF = （1- 1）（4）光電轉(zhuǎn)換效率

本文編號(hào)：2792019