水/醇溶性共轭聚合物的设计及用于高效聚合物太阳能电池界面调控

【摘要】：由于聚合物太阳能电池(PSC)能通过印刷技术生产且成本低廉，与PSC相关的研究在近几十年取得了巨大的进展。PSC的能量转换效率已超过10%。优化PSC器件效率的方法包括对新型光活性聚合物的设计、使用高效的器件结构、应用新型的器件制备技术和引入界面材料用于电极的调控。界面调控对PSC器件性能的提高起到了至关重要的作用。合适的界面材料能有效地抑制激子的复合且能起到降低在活性层/电极界面的接触电阻。 目前有很多电荷传输材料用于PSC中电极的修饰。最近，具有两亲性特性的共轭聚电解质—骨架为π共轭链且侧链带有离子功能基团的聚合物—由于其能在亲水性电极和疏水性活性层之间建立连结而逐渐成为一类在PSC中出色的界面材料。本论文中，我们在PSC的阴极界面引入了不同类型的CPE，以研究其是如何影响器件性能的，并开发出能够优化器件性能的手段。 首先，我们合成了两种基于芴的CPE材料：分别带有阳离子和阴离子侧链的PFNBr和PFSO3Na，并将其应用于传统PSC的阴极界面层。由于CPE在活性层/金属电极界面会形成偶极子的取向，从而造成两种带有相反的电荷CPE对阴极的功函数和界面相互作用产生了不同的影响。与阳离子的PFNBr相比，PFSO3Na由于其极性侧链在PFSO3Na/Al界面的聚集作用使得其能产生更有利的界面偶极子，从而显著降低Al的功函数。之后，我们在反向PSC中将三种基于噻吩的，分别含有阳离子(PTSO-Na)、中性(PTNOH)和阴离子(PTN-Br)基团的CPE与ZnO结合而形成ZnO/CPE的双层电子传输层(ETL)。当我们将含有季胺基阳离子的PTN-Br沉积在ZnO薄膜表面时，我们观察到在CPE的阳离子基团和ZnO表面负电荷的氧离子之间产生了强烈的静电相互作用。这种静电自组装使得在界面形成了强烈的偶极子和紧密的界面接触。含有自组装ZnO/PTN-Br界面层的反向PSC ITO/ZnO/CPE/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag不仅得到了最高的PCE值，而且在未封装的情况下器件实现了长时间的性能稳定。以上研究结果表明，CPE的侧链基团对器件界面的偶极子的形成和界面的相互接触都会产生深远的影响。 为了加强CPE对PSC器件性能的改善作用，我们使用了一种简单的方法来操控界面层的偶极矩。我们将一种离子液晶(ILCs) CbpNSO同CPE材料PTNBr混合形成了一种新型的共轭聚电解质-离子液晶CPE-ILC复合物。液晶的自发取向使得CPE-ILC复合物实现了更有序的排列。更重要的是，液晶引导的自组装改善了阴极偶极子的取向，从而显著降低了ITO的功函数。含有PTNBr-CbpNSO复合物的反向P3HT:PC60BM太阳能电池的PCE相比于含有纯PTNBr器件的值提高了37%。此后，我们将另一种CPE-ILC复合物PFN-CbpSO作为高效率的PBDTTT-C-T:PC71BM电池的ETL层，同时在阳极界面层引入溶液加工的氧化物(WO3)和共轭聚合物PBDTT-TT-TEG组成的空穴传输层(HTL)。这几类界面层的引入实现了器件在两端电极同时达到能级匹配。由以上几种溶液加工型界面层组成的反向器件ITO/PFN-CbpSO/PBDTTTC-T:PC71BM/PBDTT-TT-TEG/WO3/Ag的PCE达到了7.8%。值得关注的是，除去两端的电极，此PSC的每一层都是在室温下通过不用退火的溶液加工方法制备的。当把ZnO界面层引入此高效PSC器件时，器件的效率进一步提升至8.5%，这是目前已经报道过的两极界面层通过溶液加工制备的PBDTTT-C-T:PC71BM太阳能电池的最高能量转换效率。这部分的工作表明，在CPE-ILC界面层的帮助下，我们成功地开发了一种将高效率、溶液可加工和在空气中长时间性能稳定等性质集于一身的PSC器件。此PSC的成功开发对于最终制备可商业化的印刷型大面积PSC具有实践的指导作用。 【关键词】：聚合物太阳能电池 界面层 共轭聚电解质 高能量转换效率
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O631;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 引言10-11
• 1.2 有机聚合物太阳能电池概述11-14
• 1.2.1 有机太阳能电池工作原理11-12
• 1.2.2 有机太阳能电池器件的性能参数12-13
• 1.2.3 有机太阳能电池器件结构13-14
• 1.3 有机聚合物太阳能电池界面调控14-17
• 1.3.1 界面层的功能14
• 1.3.2 聚合物太阳能电池有机界面材料14-17
• 1.4 共轭聚电解质用于聚合物太阳能电池界面调控17-20
• 1.4.1 中性共轭聚电解质作为电子传输层17-18
• 1.4.2 离子型共轭聚电解质作为电子传输层18-20
• 1.5 本课题提出的意义和研究内容20-21
• 第2章 共轭聚电解质阴极界面层所带电荷对体相异质结聚合物太阳能电池性能的影响21-41
• 2.1 引言21-22
• 2.2 实验部分22-26
• 2.2.1 实验原料及试剂22-23
• 2.2.2 实验仪器及表征手段23
• 2.2.3 共轭聚电解质的合成23-25
• 2.2.4 聚合物太阳能电池器件的制备与表征25-26
• 2.3 实验结果与讨论26-39
• 2.3.1 合成与结构表征26-27
• 2.3.2 光学和电化学性能27-29
• 2.3.3 太阳能电池器件性能29-33
• 2.3.4 太阳能电池器件的光学性能33-34
• 2.3.5 共轭聚电解质在太阳能电池器件中作用机理研究34-37
• 2.3.6 太阳能电池器件形貌37-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第3章 静电自组装金属氧化物/共轭聚电解质电子传输层用于高效聚合物太阳能电池41-58
• 3.1 引言41-42
• 3.2 实验部分42-46
• 3.2.1 实验原料及试剂42-43
• 3.2.2 实验仪器及表征手段43-44
• 3.2.3 材料的合成44-46
• 3.2.4 聚合物太阳能电池器件的制备与表征46
• 3.3 实验结果与讨论46-57
• 3.3.1 聚合物结构特性和光学性能46-47
• 3.3.2 X 射线光电子能谱47-48
• 3.3.3 紫外光电子能谱48-50
• 3.3.4 反向太阳能电池能级结构50-51
• 3.3.5 反向太阳能电池形貌51-54
• 3.3.6 反向太阳能电池器件性能54-56
• 3.3.7 反向太阳能电池的稳定性56-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第4章 自组装的共轭聚电解质-离子液晶复合物作为聚合物太阳能电池界面层58-72
• 4.1 引言58-59
• 4.2 实验部分59-62
• 4.2.1 实验原料及试剂59-60
• 4.2.2 实验仪器及表征手段60
• 4.2.3 材料的合成60-61
• 4.2.4 聚合物太阳能电池的制备和表征61-62
• 4.3 实验结果和讨论62-70
• 4.3.1 离子液晶(ILC)的结构表征62-63
• 4.3.2 共轭聚电解质-离子液晶(CPE-ILC)复合物的光学性能表征63-65
• 4.3.3 共轭聚电解质-离子液晶(CPE-ILC)复合物的形貌65-66
• 4.3.4 太阳能电池器件的能级结构和器件性能66-68
• 4.3.5 高效太阳能电池性能68-70
• 4.3.6 太阳能电池的载流子迁移率70
• 4.4 本章小结70-72
• 第5章 对室温制备的溶液加工型聚合物太阳能电池器件效率的优化72-86
• 5.1 引言72-74
• 5.2 实验部分74-75
• 5.2.1 实验原料及试剂74
• 5.2.2 实验仪器及表征手段74
• 5.2.3 材料的合成和制备74-75
• 5.2.4 聚合物太阳能电池器件的制备75
• 5.2.5 电极的功函数测量75
• 5.3 实验结果和讨论75-85
• 5.3.1 共轭聚电解质-离子液晶(CPE-ILC)复合物的结构表征75-76
• 5.3.2 共轭聚电解质-离子液晶(CPE-ILC)复合物的光学性能表征76-77
• 5.3.3 空穴传输层 PBDTT-TT-TEG 的自组装性能研究77-78
• 5.3.4 室温加工型氧化钨空穴传输层的物理化学性能78-79
• 5.3.5 太阳能电池的界面修饰和器件性能研究79-82
• 5.3.6 溶液加工型空穴传输层用于太阳能电池界面修饰82-83
• 5.3.7 高效太阳能电池的稳定性83-85
• 5.4 本章小结85-86
• 第6章 结论与展望86-88
• 6.1 结论86-87
• 6.2 展望87-88
• 致谢88-89
• 参考文献89-100
• 攻读学位期间的研究成果100

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