【摘 要】
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过去的几十年里,由于科研工作者们在电池结构优化、器件制备方法,以及活性层材料的不断更新换代方面做出的巨大贡献,聚合物太阳能电池(PSCs)发展迅速。目前,单结太阳能电池的能量转换效率(PCE)已经超越了18%,逐渐接近实际应用的要求。因此,为了解决人类可持续性发展所需要的大量能源问题,缓解化石能源的缺乏,以及其引起的越来越严重的环境污染现状,实现太阳能利用率最大化,我们应该在PSCs方向上投入更多
【基金项目】
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国家自然科学基金(21875204);
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过去的几十年里,由于科研工作者们在电池结构优化、器件制备方法,以及活性层材料的不断更新换代方面做出的巨大贡献,聚合物太阳能电池(PSCs)发展迅速。目前,单结太阳能电池的能量转换效率(PCE)已经超越了18%,逐渐接近实际应用的要求。因此,为了解决人类可持续性发展所需要的大量能源问题,缓解化石能源的缺乏,以及其引起的越来越严重的环境污染现状,实现太阳能利用率最大化,我们应该在PSCs方向上投入更多的注意力。本文主要探讨了聚合物给体材料的性能对PSCs的光伏性能的影响,并基于侧链工程的设计策略,设计合成了两个系列的新型三元共轭聚合物给体材料。主要研究内容如下:(1)设计合成了三种新型三元共聚物给体材料PM10Si、PM20Si和PM30Si,分别在PM6主链结构的基础上加入10%、20%和30%的含硅氧烷端基侧链的苯并噻二唑单元共聚得到。我们选择与聚合物吸收互补且能级匹配的高效非富勒烯小分子受体(NFA)材料Y6与三种共聚物共混制备PSCs,基于PM10Si、PM20Si和PM30Si的反式器件的PCE值分别为12.39%、14.30%和13.11%。通过两步顺序沉积(SD)法对器件的活性层进一步优化,基于PM20Si的器件获得了15.17%的高能量转换效率,短路电流密度(Jsc)为26.92 m A cm-2,填充因子(FF)为70.44%。研究表明PM20Si基器件的高效率主要归因于其共混膜具有更合适的相分离形貌、更好的分子取向以及更平衡的空穴和电子传输能力。(2)设计合成了四种共聚物给体材料,在含烷基侧链的苯基取代的苯并二噻吩(BDTP)和苯并-[1,2-c;4,5-c’]二噻吩-4,8-二酮(BDD)组成的D-A共聚物中加入10%、20%、30%和100%的硅烷基侧链取代的BDTP单元,分别得到结构为PBT10Si、PBT20Si、PBT30Si和PBDB-Si共聚物。研究发现,PBT20Si:Y6基共混膜表现出较少的双分子重组和有效的激子解离,且有相对高的空穴迁移率(μh)值(4.99×10-4 cm~2V-1s-1),和更平衡的电子和空穴传输。最终,基于PBT20Si:Y6的器件得到了最高的PCE(13.06%)。这一结果进一步表明引入硅烷基侧链可以改善聚合物给体的分子聚集和双分子重组,是一种简便且有效提高器件性能的策略。
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