关键词:
双性离子
氰基酯
界面偶极
阴极界面层
有机太阳能电池
摘要:
太阳能总量巨大,环保绿色,是新兴的可再生能源。人类发展了多种太阳能电池将光能高效转换为电能。其中,有机太阳能电池拥有成本低、易于制备、可溶液加工、柔性等优势,备受关注。通过理性设计有机半导体材料与器件工程的优化,单节有机太阳能电池的效率目前已达到20%。界面工程在提升有机太阳能电池效率方面起到了不容小觑的作用。界面材料能够调节金属电极的功函数,改善电极对电荷的选择提取的能力,钝化活性层缺陷以及对活性层形成保护作用。在众多的界面层材料中,双性离子材料作为一种中性并且能产生偶极的材料而备受人们关注。在本论文中,我们主要改变双性离子材料侧链的阴离子结构,设计合成了小分子及聚合物双性离子材料,并通过扫描开尔文探针、紫外光电子能谱、原子力显微镜、接触角等测试系统地研究了材料的界面修饰性能。我们进一步将上述双性离子材料作为阴极界面修饰层应用于电池器件中,探析了材料分子结构的改变对光电性能产生的影响。最终,我们获得了高性能的双性离子阴极界面修饰材料,实现了优异的光电转换效率,高达18.70%。
主要工作如下:
1、我们以苝二酰亚胺(PDI)为共轭核心、咪唑鎓为侧链阳离子结构,用氰基乙烯酯代替传统的磺酸甜菜碱作为阴离子结构,合成了小分子双性离子PDIM-DC。进一步对PDIM-DC的侧链阴离子进行微调,用丙酸酯代替其中一个氰基,得到PDIM-PC。与具有传统阴离子结构的PDIM-z相比,具有强吸电子能力的氰基赋予材料更大的偶极矩,降功函能力明显增强。PDIM-DC和PDIM-PC有强自掺杂能力,电学性能得以提升,与活性层表面相容性好,能减小活性层表面粗糙度,与电极形成良好的接触,促进电荷的转移和收集。PDIM-PC表现出优异的电导率和载流子迁移率,能有效减少双分子复合和陷阱态复合,最终在基于经典的非富勒烯活性层PM6:Y6和PM6:BTP-e C9体系的有机太阳能电池器件分别获得了17.81%和18.70%的高效率。
2、我们设计合成了非共轭聚合物双性离子PPDIM-DC和PPDIN-DC,探究侧链阳离子结构对材料界面修饰性能的影响。结果表明,PPDIMDC和PPDIN-DC的加工性能良好,可以有效降低金属电极功函数,降低电荷传输势垒,匹配的能级可以在阴极界面处阻挡空穴并传输电子,有效避免复合。在基于PM6:Y6体系的活性层器件中,PPDIM-DC获得了17.64%的优秀光电转换效率。最重要的是,聚合物材料的膜厚忍耐性非常优异,PPDIM-DC展示出了出色的膜厚加工范围,即使在87 nm的膜厚下,依旧可以实现较高的光电转换效率。