全聚合物太阳电池的受体材料设计及器件性能研究-文献详情-维普官网

文献检索

任意字段

文献信息

任意字段
主题词
篇关摘
篇名
关键词
摘要
作者
第一作者
作者单位
刊名
中图分类号
学科分类号
DOI
基金

智能检索

高级检索

检索历史

全聚合物太阳电池的受体材料设计及器件性能研究认领

作者：

吴强

学位授予单位：

武汉大学

摘要：

近年来,可应用于建筑集成光伏、便携自供电智能电子器件、万物互联设备的有机太阳能电池（OSC）受到广泛关注。基于非富勒烯小分子受体的器件能量转换效率（PCE）迅速提高,现已突破了19%。尽管基于小分子受体的聚合物体系具有良好的光学吸收和电子传输性能,但通常这类光伏体系的光、热、机械稳定性较差。相反,全聚合物太阳能电池（all-PSCs）在稳定性方面具有明显的优势,引起了业内的广泛关注。通过聚合物受体材料的设计和活性层形貌的调控,全聚合物太阳能电池的PCE在十年内已经从3%迅速提升到了17%以上。然而,目前all-PSCs效率未达到效率理论值,也低于基于非富勒烯小分子受体的聚合物太阳能电池。尽管存在许多高开路电压(VOC)的全聚合物光伏体系,但其电流密度(JSC)和填充因子（FF）较低。基于此,本论文设计开发了多种高效、高稳定性的聚合物受体材料,深入分析了all-PSCs给受体相互匹配性原则和混溶性对器件效率和稳定性的影响;同时通过器件工艺进一步优化全聚合物微观形貌,从而提升PCE和稳定性（包括机械稳定性）。期望为高效、高稳定性的all-PSCs提供更多的设计思路和研究基础,并且为OSC的功能化应用奠定良好的基础。主要研究内容如下:（1）通过“小分子受体聚合物化”策略,以Y5-C20为骨架结构,噻吩作为电子连接单元通过stille偶联成功设计合成了新型的聚合物受体-PYT。PYT在波长为600-900nm的吸收范围内显示出较强的吸收峰,且薄膜的消光系数可达9.79×10～4 cm-1。当引入聚合物PM6作为给体材料,优化后的PM6:PYT共混体系获得了最佳的PCE（13.43%）和较低的电压损失（0.47 e V）,性能明显优于基于小分子受体Y5-C20的聚合物太阳能电池（9.42%）。同时研究发现PM6:PYT共混体系对活性层厚度和添加剂（CN）含量相对的不敏感,有利于制备大面积器件的优势（大面积器件的效率为11.43%）。此外,全聚合物器件表现出优异的稳定性（暗态存储和机械性能稳定性）,有利于有机光伏的商业化应用。（2）为了研究分子机制对器件性能的关键影响并探索全聚合物体系中的材料匹配原则,我们选择PBDB-T及其衍生物（PM6和PM7）作为聚合物给体（PDs）,以及具有不同重均分子量（Mw）的两个批次的PYT（具有中等Mw的PYT-M和具有高Mw的PYT-H）作为聚合物受体（PAs）,系统的探究了全聚合物体系的PDs-PAs对混溶性、活性层形貌、相关物理动力学以及相应的光伏参数。相比于其他四种体系（PM6:PYT-H,PM7:PYT-H,PBDB-T:PYT-M和PM7:PYT-M）,PBDB-T:PYT-H和PM6:PYT-M体系由于良好的给受体匹配和合适的分子量,形成了良好的PDs-PAs混溶性和合适的相分离结构,从而获得超过14%的PCE。有趣的是,PBDB-T:PYT-H体系比PM6:PYT-M体系具有更好的稳定性,这可归结于分子混溶性和Mw之间的再次最佳权衡。这些结果初步揭示了器件PCE与稳定性之间权衡的相关分子机制。（3）基于前期研究发现本体异质结（BHJ）形貌相对难以精确调控和重复,然而顺序逐层（LbL）沉积技术可分别优化给/受体形貌,并对加工条件依赖较小,有利于形成理想的活性层形貌。因此,进一步我们采用LbL沉积技术,通过协同调控给受体上下层的添加剂含量成功制备了PBDB-T/PYT伪双层结构为活性层的all-PSCs,并获得15.20%的PCE（BHJ器件的PCE为14.06%）。与BHJ器件相比,通过系统的对物理机制和形态学特征的研究,结果表明LbL薄膜可以有效地改善光学吸收和电学性能,有效地促进激子解离,电荷产生和提取,同时抑制其电荷复合并促进LbL薄膜中的空穴转移,从而获得更高的器件性能。此外,相比于BHJ薄膜,LbL薄膜由于形成良好的给受体相域尺寸以及相分离表现出良好的机械稳定性。最终,通过选择多种活性层体系证明了添加剂协同调控策略具有一定的普适性,为实现高性能的all-PSCs提供一定的指导意义。（4）聚合物给/受体的聚集态和混溶性是影响all-PSCs效率和稳定性的主要因素。基于非富勒烯小分子Y5-C20骨架,与不同的电子连接体单元（呋喃,噻吩,硒吩）通过“小分子受体聚合物化策略”获得三种聚合物受体材料（PY-O,PY-S,PY-Se）。研究表明:电子连接单元显著影响了聚合物受体的物理化学性质、分子间相互作用力及其电荷传输性质。与其他两种聚合物受体材料相比,PY-Se表现出更高的结晶度,这可能是由于PY-Se分子间较强的相互作用。为了进一步确定电子连接体单元对光伏性能的影响,PBDB-T作为聚合物给体材料匹配共混。优化后的PBDB-T:PY-Se体系的PCE达到15.48%,远高于PBDB-T:PY-O（9.80%）和PBDB-T:PY-S（14.16%）器件。研究表明:电子连接体单元可以有效调节分子堆积和结晶度,从而影响共混物的形貌和效率。此外,PBDB-T:PY-Se体系也具有良好的存储和运行稳定性以及机械稳定性。（5）随着有机太阳能电池PCE和稳定性的提升,OSC易集成/便携、适应场景广、绿色安全等优点在便携式自供电智能电子等应用场景下呈现出光明的前景,因此激发了学术界和工业界的兴趣。首先我们采用狭缝涂布印刷工艺,协同调控涂覆速度和进注速率两个主要参数,获得了高质量的有机薄膜。相比于旋涂、刮涂两种工艺,狭缝涂布印刷工艺获得相之媲美的光伏器件。更重要的是采用这种策略,成功制备了高效的柔性光伏器件和大面积串联组件,实现了有机光伏和全解水装置的集成,并获得6.15%的光转氢效率。此外,进一步通过三元策略结合绿色溶剂,在LED 1000 lux（2700 K）下构建了高效的大面积不透明和半透明的高性能的室内光伏组件（12 cm2）,并应用于低功耗温湿度传感器,并表现出良好的工作稳定性。值得一提的是,该三元体系表现出中等的有机发光二极管性能,并可较好的应用于显示电子体系。

摘要译文

关键词：

全聚合物太阳能电池; 聚合物受体; 效率; 稳定性; 功能化应用

学位年度：

2022

学位类型：

博士

学科专业：

材料科学与工程

导师：

闵杰

中图分类号：

TM914.4[太阳能电池⑨];TQ317[高分子化合物产品]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储];070305[高分子化学与物理];080501[材料学];081702[化学工艺];081707[材料化工]

D O I：

10.27379/d.cnki.gwhdu.2022.000990