聚合物/富勒烯共混体系双分子穿插对有机体相异质结太阳能电池性能的影响

有机体相异质结太阳能电池有源层形貌直接影响器件能量转换效率.在聚合物/小分子共混体系中,当小分子尺寸小于聚合物侧链间距时,且与聚合物相互作用能形成基态-电荷转移态复合物时能够形成双分子穿插结构.双分子穿插结构改变了共混体系的薄膜形貌,不利于器件的光电转换过程.本文从双分子穿插结构形成过程入手,论述了双分子穿插行为对共混体系结晶行为及相分离行为的影响,以及对器件光电转换过程中激子扩散与分离及载流子传输等物理过程的影响;详细阐述了现阶段抑制双分子穿插行为的化学、物理方面的主要方法及相关原理.同时,我们进一步提出了该领域尚待解决的问题并对其发展前景进行了展望.     

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

非富勒烯小分子受体(SMAs)有序聚集决定聚合物/非富勒烯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。 在聚[(2,6-(4,8-二(5-(2-乙基己基噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩))-alt-(5,5-(1',3'-二-2-噻吩基-5',7'-二(2-乙基己基)苯并[1',2'-c:4',5'-c']二噻吩-4,8-二酮))](PBDB-T)/9-二(2-亚甲基(3-(1,1-二氰基亚甲基)-6,7-二氟-茚酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩并[2,3-d:2',3'-d']-s-引达省[1,2-b:5,6-b']二噻吩(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%。     

基于苝二酰亚胺类非富勒烯受体共混体系凝聚态结构调控

非富勒烯太阳能电池具有给受体能级可调、吸收范围宽及可溶液加工等优势,已经成为太阳能电池领域发展趋势。在高性能材料开发及器件结构优化的推动下,能量转换效率已经突破11%。其中,苝二酰亚胺(PDI)类分子价格低廉且具有良好的稳定性及较高的电子迁移率,已经发展成为重要的非富勒烯受体材料。然而,PDI类材料刚性稠环结构使得分子间具有强烈的π-π相互作用(受体-受体分子间及给体-受体分子间),导致共混体系相分离尺寸可控性差,给受体分子间共混程度难于调控,从而发生严重的成对以及非成对电荷复合。本文从分子间作用力入手(溶剂-溶质、给体-受体分子间作用力)详述了非富勒烯共混体系相分离结构、相区尺寸及共混相含量调节的相关原理及方法。研究表明基于PDI共混体系,固-液相分离及分子扩散能力是决定相分离结构的本质因素,通过调控给受体比例及热退火温度实现了孤岛及互穿网络结构的构筑。同时,通过平衡受体分子间π-π作用及给受体间电荷转移,实现了低相容性及高相容性共混体系相区尺寸的可控调节。在此基础上,利用添加剂手段通过调节溶剂与溶质分子间的溶度参数差值,实现了薄膜内共混相的可控调节,并针对具有不同相容性共混体系给出了添加剂的选择原则。     

利用相容剂调控聚噻吩/富勒烯共混薄膜形貌

选择含有噻吩环的富勒烯衍生物([6,6]-噻吩基-C61-丁酸甲酯(TCBM-Cn,n代表在噻吩环5位的烷基链碳原子数))作为聚3-己基噻吩(P3HT)和[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)共混体系的相容剂,讨论了结晶能力不同的TCBM-Cn分子对共混体系相容性和P3HT结晶行为的影响.当使用强结晶性的相容剂TCBM-C0时,虽然不能完全抑制PCBM的聚集,但由于分子中噻吩环结构的存在,少量的相容剂即可提高P3HT的结晶度.而对于弱结晶性的相容剂TCBM-C6,虽然可以完全抑制PCBM的聚集,但是只有当其含量超过PCBM时,最终才能达到促进P3HT结晶的目的.     

全高分子太阳能电池活性层相分离结构调控

全共轭聚合物太阳能电池具有给受体能级可调、吸收范围宽及可溶液加工等优势,已经成为太阳能电池领域发展趋势.在开发高性能材料及器件结构优化的推动下,能量转换效率已经突破9%.然而,共轭聚合物分子刚性及分子结构各向异性等特点,导致全共轭聚合物共混体系相分离及结晶行为复杂,相区尺寸及界面处分子取向可控性差,难于深入理解并认识活性层结构对器件光物理过程的影响.本文从热力学及动力学角度入手,详述了全共轭聚合物共混体系相分离结构、相区尺寸及界面分子取向的可控调节.共混体系中分子迁移能力及溶液相分离类型是影响相分离结构的本质因素,并通过改变给受体比例及分子规整度等实现了孤岛、双连续及互穿网络结构的构筑.同时,通过添加第3组分调节溶剂-溶质分子间相互作用或聚合物分子间相互作用,在不降低活性层结晶性的基础上实现了相区尺寸的调控.最后,利用附生受限结晶原理及溶液状态,通过改变分子运动能力及在溶液中聚集程度,实现了由edge-on到face-on取向的转变.     

结晶动力学策略在非富勒烯体系太阳能电池形貌调控领域的应用

非富勒烯体系太阳能电池具有吸收范围宽、半透明及可大面积溶液加工等优势,已在清洁能源领域占据重要地位。在高性能材料开发、活性层形貌及器件工艺优化的推动下,器件能量转换效率已经突破19%。非富勒烯体系太阳能电池的基本结构包括阴极、阳极、相应的界面层及活性层,其中活性层形貌对器件性能有着重要影响。然而,由于活性层中给体与受体分子均为半晶性分子,在成膜过程中两者结晶存在竞争耦合;此外,活性层的结晶和相分离往往同时发生,导致形貌可控性差。针对上述问题,本专论系统总结了通过控制共混体系结晶动力学,精细调控活性层形貌的相关进展,详细介绍了共混体系中分子扩散速率、成核与晶粒生长相对速率、结晶顺序等动力学行为对活性层相分离结构、相区尺寸、结晶度及分子取向等的影响,建立了活性层多层次结构与器件光物理过程间的构效关系,为制备高性能有机太阳能电池器件奠定了基础。