非富勒烯有机薄膜太阳能电池形貌调控及器件性能优化

摘要

发展有机太阳能电池是解决现阶段能源短缺问题的一种重要途径。相对传统硅太阳能电池，有机太阳能电池具有分子可设计、质量轻、器件可弯曲、半透明应用、能够进行溶液加工、规模化成本低等优点。除了电池材料本身的性质之外，给受体共混的活性层中的相分离结构对于电池最终的能量转换效率也有至关重要的影响。对于共轭分子结晶性的调控，相分离结构的优化，是一个非常必要的课题。理想的有机光伏电池的活性层形貌要求相区尺寸适中，有利于激子的扩散与电荷收集；良好的互穿网络结构以便电荷传输；一定程度的结晶性有利于电荷迁移；适当的无定形共混相促进激子分离。 非富勒烯有机薄膜太阳能电池有别于受体为富勒烯及其衍生物的体系，其采用有机共轭材料作为受体。其优点是光谱吸收范围宽，更有利于对太阳光的吸收，可多途径合成相应分子以调控能级。非富勒烯受体已取代富勒烯及其衍生物成为现阶段的热门。 非富勒烯小分子受体(SMAs)有序聚集决定聚合物/非富勒烯小分子共混体系光伏电池的双分子复合几率。然而，由于非对称相分离，聚合物趋于优先形成网络，抑制小分子受体分子结晶。在PBDB-T/IT-4F共混体系，四氢呋喃蒸汽处理可提高IT-4F结晶性，150℃热退火可提高PBDB-T的结晶性。因此，依次利用蒸汽退火和热退火处理薄膜，诱导小分子先结晶、聚合物后结晶，从而降低PBDB-T对小分子扩散的限制，构建高结晶互穿网络结构。形貌优化后降低了双分子复合，器件光电转换效率从5.95%提高至7.18%。 在全小分子太阳能电池中，给体与受体的有序聚集、适当的相区尺寸以及适当的共混相对于光子吸收和自由电荷传输是至关重要的。然而，随着有序聚集增强，薄膜相区尺寸增加，非晶共混相含量减少，有序聚集和共混相的平衡不容易实现。在DRTB-T/IDIC共混体系中，首先通过添加一定量的柠檬烯作为添加剂抑制结晶，然后进行蒸汽退火来增加结晶度。这样不仅保证了适当程度的分子有序聚集，而且在相区尺寸趋于良好的条件下形成更多的共混相。通过这种处理，器件性能从7.55％提高到8.54％。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 有机太阳能电池

1.1.1 有机光伏电池机理

1.1.2 有机太阳能电池活性层

1.1.3 有机太阳能电池基本结构

1.2 非富勒烯有机太阳能电池

1.2.1 非富勒烯有机太阳能电池概述

1.2.2 有机太阳能电池非富勒烯材料的发展

1.3 有机太阳能电池形貌调控

1.3.1 活性层形貌的影响

1.3.2 活性层形貌的调控手段

1.4 研究意义与研究思路

2 实验部分

2.1 主要原料和试剂

2.2 实验仪器与设备

2.3 表征

2.3.1 表征薄膜的制备

2.3.2 紫外-可见吸收光谱（UV-vis）

2.3.3 荧光光谱（PL）

2.3.4 原子力显微镜（AFM）

2.3.5 掠入射X射线衍射（GIXD）

2.4 PBDB-T/IT-4F电池器件制备与测试

2.4.1活性层溶液配置

2.4.2 后处理过程

2.4.3 电池器件制备

2.4.4电池电学性能测试

2.5 DRTB-T/IDIC电池器件制备与测试

2.5.1 活性层溶液配置

2.5.2 后处理过程

2.5.3 电池器件制备

2.5.4 电池器件测试

3. 小分子优先结晶构筑聚合物/非富勒烯共混体系互穿网络结构

3.1 前言

3.2 结果与讨论

3.2.1 给受体材料基本性质

3.2.2 PBDB-T与IT4F的结晶性调控

3.2.3共混薄膜的结晶性调控

3.2.4 器件性能

3.3 小结

4 全小分子体系共混相含量调控

4.1 前言

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 给体与受体材料基本性质

4.2.2 蒸汽退火促进给受体结晶

4.2.3 器件性能优化与添加剂筛选

4.2.4 添加剂的引入的作用探究

4.2.5 添加剂结合蒸汽退火处理

4.2.6 器件数据

4.3 小结

结论

创新与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢