【摘 要】
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近年来,随着窄带隙小分子受体高分子化材料的出现,全高分子有机太阳能电池的效率不断提升,但是此类给受体共混的体异质结有机太阳能电池的进一步发展还存在诸多难题,特别是给受体材料的相分离调控。单组分有机太阳能电池可以极大简化器件制备,同时具有良好的形貌,为解决上述难题提供了有效的实验路径。但是目前单组分有机太阳能电池的能量转换效率较低,需要进一步开展材料和器件相关的研究,本论文基于此开展了如下研究:第一
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近年来,随着窄带隙小分子受体高分子化材料的出现,全高分子有机太阳能电池的效率不断提升,但是此类给受体共混的体异质结有机太阳能电池的进一步发展还存在诸多难题,特别是给受体材料的相分离调控。单组分有机太阳能电池可以极大简化器件制备,同时具有良好的形貌,为解决上述难题提供了有效的实验路径。但是目前单组分有机太阳能电池的能量转换效率较低,需要进一步开展材料和器件相关的研究,本论文基于此开展了如下研究:第一部分研究中,我们设计并合成了两种新型窄带隙嵌段共聚物:PBDB-T-b-PIDIC2T,PBDB-T-b-PTY6。两种嵌段共聚物采用了相同的给体部分（PBDB-T）,不同的非富勒烯受体部分,利用共价键将给体与受体部分连接起来,构成一个（D1-A1）-（D2-A2）的主链结构。PBDB-T-b-PIDIC2T 以及 PBDB-T-b-PTY6 带隙分别为1.55 eV和1.43 eV,在光捕获能力上有极大优势。基于嵌段共聚物PBDB-T-b-PTY6的单组分有机太阳能电池相较于之前报道过的单组分器件有着更优的器件性能,其短路电流首次达到15 mAcm-2,最优器件的能量转换效率达到8.64%。两种嵌段共聚物较高的电荷转移态以及较少的非辐射复合损失,因此能量损耗较少,器件电压相比于二元体异质结有显著提升。除此之外单组分器件的热稳定性也显著提升。同时,我们首次系统对比了结构相关的嵌段共聚物和二元体异质结器件,研究了不同分子特征对光伏性能的影响以及相关的载流子动力学过程和薄膜形貌,为更高效的单组分有机太阳能电池材料的分子设计提供了重要的理论基础。第二部分研究中,由于Y6的非富勒烯受体中的端基通常由两种极性相似的异构体混合而成并且很难分离,使得嵌段共聚物聚合过程中反应位点不确定,因此我们进一步对嵌段共聚物PBDB-T-b-PTY6进行规整性的结构调控。研究表明,聚合物主链的规整性对分子堆积以及合成重复性都有影响,最终会提高器件性能。因此我们通过精确控制聚合小分子片段PTY6的区域特异性,合成了区域规整的PBDB-T-b-PTY6-γ,在嵌段共聚物主链上成功实现了区域规整。与无规共聚物PBDB-T-b-PTY6相比,PBDB-T-b-PTY6-γ带隙更小,分子排列更有序。此外,在单组分光伏器件测试中,区域规整的嵌段共聚物表现出更高的短路电流,最高能量转换效率提高到10.51%,这也是单组分有机太阳能电池报道的最高值之一,这些结果表明区域选择调控可以显著提升嵌段共聚物的光电性能,可应用于高效的单组分有机太阳能电池。单组分有机太阳能电池优势在于器件制备相对简化,并且稳定性更好。然而目前在光电转化效率上与传统二元体异质结有机太阳能电池还有一定差距,本文通过新型嵌段共聚物的设计、合成以及结构改性,深入研究并理解材料结构和性能的关联,取得了文献报道领先的单组分有机光伏器件性能,为推动此类电池的发展提供了新的材料设计思路。
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