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基于新型链接寡聚化受体制备高效稳定的有机太阳能电池认领

作者：

张铭

学位授予单位：

北京化工大学

摘要：

通过溶液加工,有机太阳能电池能够低成本的大面积制备具有轻、薄、柔特点的光伏电池薄膜,在可穿戴设备,光伏建筑一体化,室内光伏和物联网等方面有广泛的应用前景,是现行光伏技术的有力补充。近年来,得益于分子结构设计和器件制备工艺的持续优化,有机太阳能电池的能量转换效率已超过20%,达到了商业化应用的阈值。但要实现商业化应用,高性能有机太阳能电池在工作条件下的长期稳定性不佳仍是亟待解决的问题。其中本体异质结活性层的形貌涉及相分离与混合之间的微妙平衡,是影响器件稳定性的关键因素。为了获得最佳的器件性能,器件制备中,活性层形貌一般被冻结在热力学非平衡态。因此,确保该形貌在器件运行过程中相互混合程度和分子堆积状态保持不变,对于保持器件的稳定性非常重要。然而由于小分子受体的玻璃化转变温度较低,其活性层在持续光照和外界应力的作用下容易发生热力学松弛,导致过度相分离和纯化,使得器件效率降低。为此,本论文针对有机太阳能电池中效率与稳定性难以协同提升的难题,提出了柔性链连接受体分子的寡聚化设计策略。通过提升受体的玻璃化转变温度,抑制活性层中受体分子的扩散行为,构建动力学稳定的活性层形貌。同时,通过精细调控链接受体的结构,实现了器件效率与稳定性的同步优化。主要研究成果可归纳如下: 1. 设计合成了一类基于Y6受体的新型链接二聚体受体,并考察了不同长度的柔性链对二聚体的聚集和松弛行为以及光伏性能的调控。其中,基于辛基链的DY2共混体系的开路电压和能量转换效率分别达到0.87 V和17.85%,而基于Y6受体的器件的开路电压和效率分别仅为0.84 V和16.93%。更重要的是,链接二聚体受体表现出较高的玻璃化转变温度,能够有效抑制共混相中的热力学松弛。基于链接二聚体受体的器件在连续光照700小时后,仍能保持超过80%的初始效率,表现出显著降低的初始效率损失。这种设计合成链接寡聚体受体的新方法为开发高效率且具有优异运行稳定性的有机太阳能电池提供了新的方向。 2. 本章针对共轭侧链修饰的链接寡聚受体DY-P2EH与聚合物给体之间互溶性不足导致的过度相分离这一特点,提出了一种基于热力学调控的三元共混策略。即通过引入与聚合物给体具有良好混溶性的小分子受体BTP-eC9作为第三组分,巧妙利用DY-P2EH和BTP-eC9两种受体在热力学上的显著差异,成功构建了多层次相分离结构。研究表明:(1)高混溶性的BTP-eC9受体在体系中自发形成三维连续的互穿网络结构,显著改善了激子解离效率;(2)低混溶性的DY-P2EH二聚体作为"锚定点",有效抑制了小分子受体的聚集和迁移。这种协同作用机制使得三元体系在获得优异的光伏性能(填充因子80.61%,能量转换效率19.09%)的同时,展现出优异的热稳定性(在85℃加速老化测试1100小时后,器件效率衰减率低于15%)。 3. 本章提出了一种异质链接受体分子的设计策略,通过柔性链将明星受体分子Y6与L8BO共价连接,成功构建了新型寡聚受体DY-L。我们通过实验和理论计算,深入研究了该异质链接结构对材料热力学性质、动力学行为以及器件性能的影响机制。研究发现,这种分子内异质链接策略实现了Y6和L8BO两种受体分子在分子尺度上的精准混合,与传统的物理共混体系相比,DY-L表现出以下显著优势:(1)通过分子内电荷转移效应优化了光电响应特性;(2)调控了分子间π-π堆积行为,形成了更有序的分子排列;(3)显著改变了溶液预聚集状态,为活性层形貌调控提供了新的途径。基于DY-L的器件在表现出优异稳定性的同时,取得了高达20.54%的能量转换效率,这是目前基于寡聚物的二元有机太阳能电池的最高值。

摘要译文

关键词：

有机太阳能电池; 链接小分子受体; 高效率; 长寿命器件

学位年度：

2025

学位类型：

博士

学科专业：

材料科学与工程

导师：

张志国

中图分类号：

TM914.4[太阳能电池⑨]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储]

D O I：

10.26939/d.cnki.gbhgu.2025.000099