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有机太阳能电池中电荷转移态与电压损失关系的研究认领

作者：

王静

学位授予单位：

东华大学

摘要：

有机太阳能电池（Organic solar cells,OSCs）因其制备工艺简单、成本低廉、柔性可折叠等优势,已成为一种极具前景的可再生能源器件,受到了学术界和工业界的广泛关注。近年来,随着有机半导体新材料、器件制造技术的进步,以及对器件工作机制的深入了解,单结OSCs的能量转换效率（PCE）已经接近20%。然而,OSCs通常具有较大的电压损失(Vloss),这限制了器件的开路电压(VOC),从而严重制约了其光伏性能的进一步提升。因此,降低Vloss、突破VOC瓶颈对于进一步提升OSCs的光伏性能至关重要。为了全面理解和解决OSCs中较大的Vloss问题,本论文研究了OSC中材料的分子结构、活性层的形貌、电荷转移（Charge transfer,CT）态性质和电压损失机制之间的关系,建立了有机半导体材料中的电荷转移理论与器件性能之间的联系。本研究采用多种分析技术来揭示当前OSCs中高Vloss的根本原因,并从材料设计角度开发实验新策略,以降低Vloss并提升器件的整体性能。主要研究内容和结果如下: 1)通过应用电子转移理论,研究了CT态-基态之间的复合跃迁关系,阐明了给-受体组分（DA）间距和重组能（λ）的改变对器件电压损失的影响规律,并发展了确定CT态性质参数和电压损失的方法。研究结果表明,增加DA间距和降低λ有助于可以降低器件的Vloss。通过实验测试技术,包括透射电子显微镜技术、掠入式广角X射线散射技术和光致发光光谱,可以定性分析DA间距和λ。此外,还通过一系列CT态的表征测试方法,建立了器件电压损失与其他CT态性质参数的关系。 2)通过侧链工程调节聚合物的化学结构,探索了降低OSCs的Vloss并提高VOC的策略,设计了一系列具有不同烷基连接链长的双缆型给-受体（DCDA）聚合物。烷基连接链长度的增加有效地增大了聚合物薄膜中的DA间距,进而有效地抑制了器件中的非辐射复合,因此,相应器件的Vloss显著降低,VOC显著增加。此外,通过设计增加给体聚合物的烷基侧链尺寸,有效增大了本体异质结（BHJ）器件的中DA间距,从而有效抑制了器件的Vloss。该研究加深了人们对分子结构与OSCs性能之间关系的认识,为优化OSCs材料设计提供了实验基础和新的研究方向。 3)基于给体的烷基链尺寸可有效调控DA间距的研究结果,进一步研究了基于不同烷基侧链尺寸的受体的BHJ器件的Vloss变化。在受体分子中引入大烷基链不会改变活性层中的DA间距,但显著改善了受体分子的规整堆叠,使得器件具有更小的λ值,从而降低Vloss并增加VOC。此外,改进的分子堆叠结构也有利于载流子的传输,使器件表现出更高的短路电流密度(JSC)、填充因子（FF）和PCE。基于上述发现,同时增大给体和受体分子的烷基侧链尺寸可以实现器件中Vloss和量子效率的双重优化,从而显著提升器件的整体光伏性能。该研究为推动OSCs性能的进一步提升提供了新的思路和实验基础。 4)研究了在室内弱光条件下器件电压损失与光伏性能之间的关系。通过理论推导,确定了光源的变化会影响暗饱和电流密度J0,从而影响器件的Vloss。J0可以表达为两种复合损失,其中,非辐射复合损失ΔVnr的增加程度是限制器件VOC的关键。随后,实验结果证实了以上理论推断:随着标准太阳光源转变为室内发光二极管（LED）光源,PBDB-T（OD）:Y6OD器件具有较小程度的ΔVnr增加,从而VOC的降低幅度很小。因此,与其他ΔVnr大幅增加的器件相比,PBDB-T（OD）:Y6OD器件在室内照明条件下的光伏性能有显著提高。由此可见,通过优化器件材料或制备工艺来降低缺陷态复合概率对于降低室内光伏器件的ΔVnr、提高器件的VOC和PCE至关重要。该研究从室内光伏角度提供了分析电压损失机制的新视角,为进一步提高室内应用光伏器件的性能提供了重要的理论依据和实验基础。

摘要译文

关键词：

有机太阳能电池; 电压损失; 开路电压; 电荷转移态; 材料设计

学位年度：

2023

学位类型：

博士

学科专业：

材料物理与化学

导师：

马在飞唐正

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：

10.27012/d.cnki.gdhuu.2023.001722