基于极性基团调控有机太阳能电池电子传输层界面特性的研究

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聚合物太阳能电池(PSCs)一直是一个全球广泛关注的研究热点,因其可持续性、清洁性以及成本低等特性受到国内外研究者的。在目前的研究中,随着高性能的活性层材料的不断的研发以及器件结构的不断改善,聚合物太阳电池的器件性能得到质的提升。目前,有机太阳能单层电池的最高效率突破了16%。然而,想要实现聚合物太阳能电池商业化,我们仍有很多问题亟待解决。例如目前有机太阳能电池的光电转化效率较低,器件的稳定性差。针对有机太阳能电池现如今的问题,除了设计合成新的高效活性层材料,优化器件结构,还可以通过引入高效界面缓冲层材料对电极和活性层之间的界面进行修饰从而提高器件效率和稳定性。基于目前研究,共轭聚电解质(CPEs)极具潜力。在电解质中引入带有相反电荷的离子化基团,在阴阳离子静电组装的作用下,既可以形成有利于电子高效传输的界面层微观有序结构,又可以诱导界面偶极子沿内建电场方向取向,优化界面偶极子的极化方向和偶极矩强度,降低活性层与电极之间的势垒,提高界面欧姆接触和电荷收集效率。在本论文中,我们系统的对离子基团对于共轭聚电解质的影响进行了研究。在本论文中,率先设计合成了三个新型的具备自掺杂效应的n型的共轭聚电解质(n-CPEs),这三个聚合物均以二酮吡咯并吡咯(DPP)和芴单元作为主干骨架(PDPP-FNBr,PF-DPPBr和PDPPNBr-FNBr)。通过研究观察可发现n-CPEs的光电性能与极性基团的数量与位置密切相关。在这个研究中发现,一个可调控的功函(WF),界面相互作用和电导率可以通过调节吸电子骨架上极性基团的数量和位置取得。当极性基团直接连附在吸电子DPP单元时,可促成一个更强的n型自掺杂效应以及一个更低的功函,相较于极性基团直接连附在给电子单元芴上。当增加极性基团的数量时候,即在DPP单元和芴单元均连接上极性基团,这将会进一步优化共轭聚电解质的光电性能。最后,将这三个新型的n-CPEs均作为阴极缓冲层运用在聚合物太阳能电池中,基于活性层为富勒烯体系时效率有效的提高到8.30%,基于活性层为非富勒烯体系时效率提高到10.57%。不需要复杂的结构设计,通过改变极性基团的数量和位置有效的提高了器件效率,以上研究可为今后设计高效阴极界面缓冲材料提供新思路。其次,为了进一步提高器件稳定性,在第一个工作的基础上,有针对性的将抗衡离子进行的调整改变。在本项工作中我们将亲水性溴离子替换成了疏水性的双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(TFSI)和双(五氟乙磺酰基)酰亚胺离子(PFSI)合成了具备憎水性的电子传输层PDPP-FNf3和PDPP-FNf5,他们具备相同的DPP与芴交替共聚的主干结构,唯一区别在于疏水性的极性基团中的F原子数量不同。并将其作为电子传输层应用在了PM6:IT-4F的太阳能电池器件中。
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