论文部分内容阅读
在新一代的光伏技术中,聚合物太阳电池和钙钛矿太阳电池由于具有质轻、可溶液加工和大面积制备等独特优势,因而受到了极大的关注。近年来,得益于活性层材料的不断开发、界面工程的调控和器件结构的优化,这两种光伏器件的能量转换效率均获得了突破性的进展。其中,聚噻吩类衍生物材料由于结构简单、易于合成、空穴迁移率高和可进行厚膜加工等优点,在聚合物太阳电池和钙钛矿太阳电池中得到了广泛的应用。本论文设计和合成了一系列新型的聚噻吩类衍生物材料,研究了聚合物的化学结构与光电性能之间的关系,并成功应用于聚合物太阳电池和钙钛矿太阳电池中。在第二章中,我们设计并合成了三种聚噻吩衍生物,通过在聚噻吩的共轭主链上引入氟原子来降低聚合物的最高占据分子轨道（HOMO）能级,并采用不同长度的烷基链来调节聚合物的溶解性和加工性。与聚（3-己基噻吩）相比,新合成的三种聚噻吩衍生物的HOMO能级降低了0.4 eV。随着烷基链长度的增加,聚合物的结晶性降低,溶解性和加工性得到明显的改善。其中,P4T2F-HD的溶解性最好,可以实现室温下的加工。三种聚合物与富勒烯受体共混制备成聚合物太阳电池器件后,能量转换效率均超过了5%。与非富勒烯受体共混时,器件的能量转换效率均超过了6%。在三种聚合物给体材料中,P4T2F-HD表现出了最好的器件性能,与富勒烯受体和非富勒烯受体共混后制备的器件分别获得了6.3%和7.0%的能量转换效率。基于P4T2F-HD和富勒烯受体的器件在200-320 nm的活性层厚度范围内,能量转换效率未发生明显变化,说明器件性能对活性层厚度不敏感,有利于厚膜的加工。在第三章中,我们通过改变3,3’-二氟-2,2’-联噻吩单元与2,2’-联噻吩单元之间的比例,设计并合成了四种不同氟含量的聚噻吩衍生物,研究了氟含量对所得聚合物光电性能的影响。与未氟化的聚合物相比,氟化聚合物均表现出了典型的温度依赖性聚集行为。随着氟含量的增加,聚合物的结晶性、吸收系数、空穴迁移率和介电常数逐渐提高。聚合物与非富勒烯共混膜的荧光淬灭效率、载流子迁移率和介电常数随氟含量的增加而提高。将四种聚合物与非富勒烯受体共混制备成聚合物太阳电池器件后,随着氟含量的增加,活性层给受体共混膜的电荷复合得到有效的抑制、电荷载流子的寿命得到显著的延长以及活性层的相分离得到明显的改善,促进了器件的短路电流和填充因子的升高。最终,氟含量最高的聚合物P6T-F100对应的器件获得了最佳的器件性能,其最高能量转换效率为7.3%。在第四章中,我们设计并合成了三种侧链为醚链的聚噻吩衍生物,通过改变醚链与噻吩主链的相对位置来调节聚合物的HOMO能级。研究发现,这三种聚合物的HOMO能级均非常浅,分别为-4.58、-4.88和-4.74 eV。虽然这三个聚合物较浅的HOMO能级不大适合做钙钛矿的空穴传输层材料,这部分的工作仍然为材料的设计提供了参考意义。在第五章中,我们以引达省七并稠环为共聚单元,设计并合成了六种聚合物,通过三苯胺单元、咔唑单元和氟代咔唑单元对聚合物的HOMO能级进行调节。研究发现,与三苯胺单元、咔唑单元和氟代咔唑单元共聚后,聚合物的HOMO能级逐渐从-5.28 eV降低到-5.37 eV。密度泛函理论计算的结果表明,与三苯胺单元、咔唑单元和氟代咔唑单元共聚所得聚合物的主链平面性依次提高。其中,和氟代咔唑单元共聚得到的聚合物获得了最高的空穴迁移率,达到了10-3 cm2 V-1 s-1。制备正装n-i-p型平面钙钛矿太阳电池器件后,基于P6的器件获得了最高19.4%的能量转换效率,填充因子高达0.82。