聚合物太阳能电池的活性层垂直相分离形貌及光伏器件性能研究

摘要

太阳能光伏电池是一种直接从太阳光中获取能量的高效清洁能源技术，其中聚合物太阳电池的生产制备过程不需要昂贵的镀膜设备，材料来源广泛，同时具有溶液加工、可制备大面积柔性器件等优点，近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。本论文针对溶剂蒸汽退火SVA对聚合物:PC71BM体系的垂直相分离进行了深入研究，发现了THF SVA处理后正反向光伏器件性能差异的垂直相分离原因，并研究了其对光伏性能影响的物理机制。此外还对J52与两种非富勒烯受体材料ITIC及ITIC-Th的光伏性能进行了研究，通过筛选溶剂及添加剂体系，获得了优化的光伏参数。主要工作如下： 1.简单介绍了有机太阳能电池的分类与发展背景，阐述了聚合物太阳能电池的工作机理与表征参数。介绍了聚合物太阳能电池器件制备流程和对活性层进行形貌调控的方法。 2.采用苯并二噻吩-苯并噻二唑的共聚物（PBDTT-DFDTBT(P3)）和富勒烯衍生物（PC71BM）作为聚合物给体和受体材料,制作了正向和反向器件，系统研究了四氢呋喃溶剂退火对活性层垂直相分离和光伏器件性能的影响。正向器件经过THF溶剂熏蒸光伏性能得到提升，反向器件性能反而下降。经过研究发现，THF溶剂退火会引起给体和受体在垂直方向分别向顶部和底部聚集，优化给体与受体相分离尺寸，提升相区纯度。对于正向器件能够降低激子分离所需的电荷转移态结合能，减低活性层中的缺陷，提升激子的解离效率。反向器件因给受体的垂直相分离产生的陷阱诱导的载流子复合，其短路电流和填充因子出现下降。这一发现可能有助于通过合适的溶剂蒸气退火诱导有利的垂直相分离来进一步制备高效体异质结聚合物太阳能电池。 3.选择聚合物二维共轭二噻吩基苯并二噻吩对氟苯并三唑共聚物给体（J52）与n型A-D-A型小分子非富勒烯受体（ITIC,ITIC-Th）作为活性层材料，制备了高效聚合物太阳能电池器件。通过调节给受体比例，选择不同的溶剂，采用热退火的后处理手段对器件性能进行优化。基于J52:ITIC体系电池的光伏参数：Jsc达到16.77mA/cm2，相应的FF为64.6%，PCE达到8.54%，电池效率超过已报道文献的最高效率5.51%。基于J52:ITIC-Th体系电池的光伏参数：Jsc达到17.15mA/cm2，相应的FF为65.2%，PCE也达到较高的水准8.77%。

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第一章绪论

1.1引言

1.3聚合物太阳能电池的结构与分类

1.3.1 单层肖特基结构

1.3.2双层异质结结构

1.3.3共混体异质结结构

1.3.4叠层结构

1.4.1 给/受体共混比例

1.4.2 溶剂效应

1.4.3退火处理对形貌的影响

1.4.3.1 溶剂退火

1.4.3.2 热退火

1.4.4 添加剂

1.5 本论文主要工作及创新点

第二章聚合物太阳能电池光伏器件的制备与表征

2.1聚合物太阳能电池的工作原理

2.1.1激子产生

2.1.3 电荷分离

2.1.4载流子传输

图2-2 聚合物太阳能电池的等效电路图 图 2-3 聚合物太

2.2.1开路电压

2.2.2短路电流

2.2.3 填充因子

2.2.4 能量转换效率

2.2.5光电转换效率

2.3.2聚合物太阳能电池的制备流程

制备性能优秀的光电转换器件，清洁的环境和和规范的操作是必备的。聚合物太阳电池器件的制备在手套箱中进行

第三章

基于PBDTT-DFDTBT:PC71BM体系垂直相分离的研究

3.1 引言

3.2实验部分

3.2.1 聚合物给体和富勒烯衍生物受体材料

聚合物苯并二噻吩-苯并噻二唑的共聚物PBDTT-DFDTBT(P3)由本实验室合成，受体PC71BM

图3-1 PBDTT-DFDTBT合成路线与富勒烯衍生物PC71BM的结构式

3.2.2聚合物光学电化学表征

我们将聚合物溶解于氯仿中，通过测量其薄膜和溶液状态下UV-Vis吸收光谱来研究聚合物的光学性质（图3

图3-2 PBDTT-DFDTBT薄膜态和溶液中的吸收光谱 图3-3 PBDTT-D

第四章 基于A-D-A型小分子非富勒烯受体ITIC和ITIC-Th的聚合物太阳能电池光伏性能的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1聚合物给体和非富勒烯受体材料

聚合物二维共轭二噻吩基苯并二噻吩对氟苯并三唑共聚物给体（J52）与n型A-D-A型小分子非富勒烯受体

图 4-1 给体与受体的结构式

4.2.2 光伏器件的制备与表征

4.3结果与讨论

4.3.1 给受体比例对器件光伏性能的影响

活性层最为理想的结构是给体和受体形成互传网络结构，共混膜良好的排布结构能提供更多的给受体界面，提升激

表4-1 J52:ITIC与J52:ITIC-Th不同的给受体比例的光伏性能参数

4.3.2 不同的溶剂对器件光伏性能的影响

表4-2 J52:ITIC与J52:ITIC-Th采用不同溶剂的光伏性能参数

4.3.4 活性层形貌表征

e) f)

本章主要研究了聚合物二维共轭二噻吩基苯并二噻吩对氟苯并三唑共聚物给体（J52）与n型A-D

第五章总结与展望

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢