聚苊对有机太阳能电池热稳定性的影响

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近年来,由共轭聚合物给体和小分子受体组成的有机太阳能电池(OSC)迅速发展,其能量转换效率(PCE)已经突破18%。但是,有机太阳能电池的活性层通常具有较差的热稳定性,这将限制其实际应用。当加工温度高于活性层共混薄膜的玻璃化转变温度时,小分子受体会发生运动,形成微米尺度聚集体,导致OSC器件性能衰减。鉴于此,本论文在活性层中引入具有高玻璃化转变温度(Tg)的绝缘聚合物聚苊(PAC),提高活性层的玻璃化转变温度,进而提升活性层形貌及OSC器件的热稳定性。主要结论如下:(1)向模型体系PTB7-Th:EH-IDTBR中引入少量PAC,研究PAC的引入对活性层及光伏器件热稳定性的影响。由于PAC与受体材料具有较高的相容性,少量PAC可以有效地限制受体分子在高温下发生运动,抑制受体分子的结晶,从而使活性层形貌及光伏器件的热稳定性显著提高。在150 oC下连续加热24小时,添加10 wt%PAC的PTB7-Th:EH-IDTBR薄膜形貌未发生明显变化,而未添加PAC的PTB7-Th:EH-IDTBR薄膜中则可以观察到微米尺度的晶体。在150 oC下连续加热~800小时,添加10 wt%PAC的光伏器件的PCE仍然可以保持在其初始值的85%以上。而对于未添加PAC的活性层薄膜,在150 oC下连续退火~300小时,器件效率便迅速衰减到初始值的~40%。(2)将PAC引入到其它OSC共混体系,如PM6:Y6、PTB7-Th:IT-4F、P-2T:PC71BM和PTB7-Th:PC71BM,器件的热稳定性获得大幅提升。在150 oC下连续加热144小时,添加10 wt%PAC的PM6:Y6光伏器件效率仅衰减了12%,而未加PAC的光伏器件效率衰减了49%。对于PTB7-Th:IT-4F体系,150 oC下连续加热72小时,添加5 wt%PAC的PTB7-Th:IT-4F光伏器件效率仅衰减了24%,而未加PAC的光伏器件效率衰减了42%。对于P-2T:PC71BM体系,120 oC下连续加热48小时,添加10 wt%PAC的P-2T:PC71BM光伏器件效率仅衰减了33%,而未加PAC的光伏器件效率衰减了95%。对于PTB7-Th:PC71BM体系,150 oC下连续加热48小时,添加10%PAC的PTB7-Th:PC71BM光伏器件效率仅衰减了63%,而未加PAC的光伏器件效率衰减了95%。该结果表明,引入高Tg绝缘聚合物在提升OSC器件稳定性方面具有较为广泛的适用性。
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