可交联的高性能有机光伏材料研制

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有机太阳能电池因为具有质轻、柔性、低廉及易加工制备等优点,得到了科研工作者们的广泛研究,被认为是当前已经商业化的单晶硅类太阳能电池的潜在替代品之一。经过近二十年的发展,特别是最近一大批高光伏性能的给体-受体型(D-A)聚合物光伏材料的出现,有机太阳能电池器件的光电转化效率(Power Conversion Efficiencies,PCE)获得了巨大的提升,达到了9%10%,已经接近了实用化的水平。然而,有机太阳能电池器件的稳定性依然没有得到很好的解决,是当前面临的一大难题。器件稳定性差的主要原因之一是高效率的电池需要采用给体和受体两种材料物理共混而成的本体异质结结构作为活性层,其在长时间使用过程中给受体两种材料倾向于发生大尺度相分离,从而严重影响激子的分化效率,使得电池性能大大降低。研究表明,通过利用可交联的给体或受体材料制备活性层,在获得较为理想的活性层结构之后,启动交联反应来固化活性层形貌的策略,是一种解决有机太阳能电池器件稳定性的重要方法。目前,这种策略主要应用于过去典型的聚(3-己基噻吩)(P3HT)体系,而将其应用于目前新开发的高性能D-A型聚合物材料的研究相对较少,领域内还缺乏既具有交联固化能力又能保持高效率的聚合物光伏材料。针对这一现状,本论文工作旨在对现有的高性能D-A型聚合物,通过其侧链末端引入可交联的活性基团,赋予这些材料可交联固化能力。在此基础上,论文工作进一步制备了太阳能电池器件,展开对活性层交联固化的研究,以期获得兼具高光电转换效率和高器件稳定性的有机太阳能电池的关键材料及其器件制备的关键技术。在第一部分工作中,我们针对高性能的苯并二噻吩(Benzodithiophene,BDT)与噻吩[3,4-c]并吡咯-4,6-二酮(Thienopyrroledione,TPD)组成的D-A共轭聚合物,合成了末端带烯键的BDT单体,并将其作为第三单体,与通常的BDT和TPD单体一起聚合,合成了一系列含不同比例末端乙烯基单元的聚合物PBDTTPD-VX(x=0,0.0125,0.025,0.05,0.10)。结果表明,随着聚合物PBDTTPD-VX结构中含末端乙烯基的单元增加,聚合物的交联固化性能得到不断增强,但是所得器件性能却不断下降。优化后发现,含2.5%可交联单元的聚合物PBDTTPD-V0.025是可以保证活性层膜充分交联、又可以保留较高器件效率的临界聚合物。经过电池器件制备和交联工艺的优化,基于PBDTTPD-V0.025所制得的电池器件经交联固化后依然获得了6.06%的光电转化效率,这是目前所报道的基于可交联聚合物有机太阳能电池器件的最高值。另外,该器件还具有很高的热稳定性,经150oC加热40 h后,仍保持了91%的原始PCE值。这明显优于由不含交联单元的参比聚合物PBDTTPD-V0所制备的电池器件。在第二部分工作中,我们基于高性能的烷基噻吩侧链的苯并二噻吩(Benzodithiophene,BDT)与噻吩并噻吩(Thienothiophene,TT)组成的D-A共轭聚合物PTB7-Th,合成了侧链末端含有5%乙烯基的可交联聚合物PTB7-Th-V0.05。研究结果表明,膜状态下的PTB7-Th-V0.05可经过紫外光照射的作用下发生光交联。然而,在器件制备过程中,需要对光不稳定的1,8-二碘辛烷(DIO)作为添加剂调控活性层形貌。因此,基于PTB7-Th-V0.05电池器件,经紫外交联固化后性能表现很差。为此,我们选择使用多元硫醇化合物既作为添加剂、又作为紫外交联剂。研究表明该聚合物薄膜中引入硫醇类交联剂后,其光交联性能得到了大幅提升。初步的器件结果表明,添加5%的硫醇类交联剂并经过紫外交联固化后的PTB7-Th-V0.05的电池器件的性能提升到了2.12%。
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