论文部分内容阅读
有机太阳能电池作为新型光伏技术的一种,具有环保、质轻、成本低、易制备等优点,是近年来能源领域的研究热点。在众多提高器件光伏性能的策略之中,三元策略同时兼顾了单异质结电池的简单工艺和叠层器件对光子较强的捕获能力,是提升有机太阳能电池性能行之有效的方法之一。然而,三元有机太阳能电池的发展仍面临着如下问题:首先,有机太阳能电池的光电转换效率尚未达到实际应用的标准,进一步提高器件的光电转换效率是三元有机太阳能电池发展面临的首要问题;其次,三元电池中各组分材料间的相互作用对器件性能的影响十分重要,合理利用第三元组分诱导活性层的相分离和电荷动力学过程仍需进一步的深入研究;第三,有机太阳能电池的稳定性是继器件效率突破之后的另一关键问题,第三元材料的引入对器件稳定性的影响值得关注;最后,三元策略在有机太阳能电池的应用领域,如半透明有机光伏器件等方面仍需大力发展。针对上述问题,本论文通过合理地调控第三元组分与主体系分子间的相互作用,改善活性层的电学性能和微观形貌,实现高效率、高稳定性的三元有机太阳能电池。本论文主要的研究内容和创新点如下:（1）创新性地采用分子间氢键策略改善富勒烯分子的电学特性,定向地诱导活性层中分子的结晶和堆叠,获得了高性能三元有机太阳能电池。在PTB7-Th:PC71BM中引入有机小分子Coumarin 7（C7）,得益于C7与PC71BM形成的氢键,电荷在富勒烯球面富集,增强了PC71BM与PTB7-Th骨架间的π-π耦合,促进了激子解离和电荷传输过程。氢键的存在不仅削弱了PC71BM的聚集,提高了给体的结晶性,而且辅助三元薄膜构建了双连续的互穿网络结构,确保了电荷的高效传输。相较于二元器件,三元器件获得了高达12.45%的效率,提升幅度达31.88%。进一步地,引入有机小分子DIBC验证了该策略的适用性。基于DIBC的三元器件在获得高效率的同时还表现出良好的光和热稳定性。（2）针对A-D-A型主链平面结构的非富勒烯受体在共混薄膜中聚集过强这一问题,创新性地利用第三元组分与主体系材料间的氢键作用改善活性层形貌和分子堆积特性,提升三元器件的性能。在该类型非富勒烯受体（IEICO-4F）电池体系中引入有机小分子DIBC,利用DIBC与IEICO-4F之间的氢键作用拓宽了IEICO-4F的堆叠间距,削弱了IEICO-4F的结晶性。同时构建了纳米互穿网络结构,形成了高速的电荷传输通道。在这些优化的基础上,基于PTB7-Th:IEICO-4F:DIBC的三元器件实现了高达13.53%的效率以及极好的存储稳定性。相似地,基于PBDB-TF:Y6:DIBC的三元器件也获得了高达16.41%的效率。（3）将具有π-π堆积效应的有机小分子引入到有机太阳能电池中,利用其独特的激基缔合态发光,增强了体系内的自吸收过程,实现了高效率、高稳定性的三元有机太阳能电池。设计合成了新型有机小分子PTN作为第三元组分,该材料在固态薄膜中通过π-π堆积作用形成了激基缔合物,其发光光谱呈现大幅度的红移。该红移的光谱促进了体系内主体材料的吸收过程并加强了器件对光子的捕获。PTN趋于平面的骨架结构与富勒烯材料具有较强的相互作用,抑制了富勒烯材料的团聚。采用乙苯作为绿色溶剂,基于PTB7-Th:PTN:PC71BM的三元器件在获得高达11.44%的光电转换效率的同时展现出良好的存储、光和热稳定性。（4）创新性地将延迟荧光材料与有机太阳能电池相结合,利用延迟荧光分子与主体系分子间长寿命的能量转移机制,提高了光生激子的寿命和扩散距离,降低了器件的复合能量损失,实现了高效率、高稳定性的三元器件。设计合成了具有延迟荧光特性的分子APDC-TPDA作为第三元组分,在共混薄膜中该分子通过能量转移将其上产生的长寿命激子传递到给体材料上,提高了光生激子的寿命、扩散距离和解离效率。同时,APDC-TPDA的存在还抑制了不利的反向能量传输,改善了活性层的相分离和电荷动力学过程。最终,实现了将近17%的光电转换效率。值得注意的是,基于该策略的三元器件在大气环境中展现出良好的存储、光和热稳定性。延迟荧光材料的引入从根本上改善了有机光伏器件激子寿命短、扩散距离有限等问题,为发展高性能三元有机太阳能电池提供了新型的设计思路。（5）提出一种新型的半透明器件制备方法,将非离子型表面活性剂DDO作为第三元添加剂引入到二元体系中,调控了活性层材料的结晶和相分离过程,赋予器件对活性层膜厚良好的耐受性,进而实现高性能半透明有机太阳能电池。以PTB7-Th:PC71BM为主要研究体系,DDO掺杂的半透明富勒烯器件获得了高达8.41%的光电转换效率和30.8%的透过率。区别于近红外非富勒烯半透明器件,基于该策略的半透明器件在实现高效率的同时保证了整个可见光区域的吸收。得益于DDO对活性层形貌和电荷动力学过程的改善,基于DDO的光伏器件也显示出良好的光和热稳定性。该表面活性剂具有普适性,在聚合物/富勒烯、小分子/富勒烯以及聚合物/非富勒烯体系中均具有良好的表现。