摘要
近年来，有机光伏器件由于具有质轻、低成本、可大面积溶液加工等优势，引起了全世界很多课题研究组的关注。随着新型给体材料的设计与合成和非富勒烯受体材料的不断开发，有机光伏器件的光电转换效率逐年提高，单结器件最高效率已经超过18%，为未来大规模商业应用奠定了基础。水/醇溶有机共轭材料，因其独特的溶解性，能够很好的避免多层薄膜加工时的互溶问题，以及其优异的界面修饰性能也被广泛的研究。在本论文中，本人主要研究了新型水/醇溶共轭材料的设计合成及其在有机太阳电池中的应用。通过对水/醇溶有机共轭材料主链或者侧链的修饰，开发了一系列的聚合物和小分子材料，实现了有机光伏器件性能的提升。 在第二章中，合成了一系列基于苯并噻二唑与芴的水/醇溶共轭聚合物F3N-BTO8、F3N-BT、F3N-FBT和F3N-DFBT，通过在苯并噻二唑单元上引入氟原子和烷氧链来调节材料的能级，并探索了相关材料作为阴极界面材料在器件中的应用。同时也合成了4个不含胺基侧链的参比聚合物F8-BTO8、F8-BT、F8-FBT和F8-DFBT，用作活性层给体材料，用以研究不同给体材料和界面材料之间的相互作用及其对器件性能的所影响。结果表明相关界面材料可以有效提升基于PTB7-Th:PC71BM活性层体系光伏器件的性能。而采用参比给体材料和PC71BM作为活性层体系时，只有F8-BTO8作为给体时的器件性能最好。以F8-BTO8和PC71BM作为活性层体系，在使用F3N-BT作为阴极界面材料时效率达到了4.14%，性能好于基于传统阴极界面材料PFN-Br参比器件的效率。 在第三章中，合成了侧链带有离子液体官能团的三联芴小分子电解质材料。进一步通过离子交换，得到了一系列带有不同对离子的小分子电解质阴极界面材料。研究了这一系列材料对于太阳电池器件阴极界面修饰性能。结果表明，当将这些小分子电解质界面材料单独作为阴极界面层时，相关器件性能较差。但和ZnO共混共同作为阴极界面层时，相关器件性能可以在基于ZnO的参比器件基础上实现一定提升。在采用ITO/ETL/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag的器件结构，以F3-Br和ZnO共混时作为阴极界面层时，光伏器件性能提升到了6.63%；当以F3-TEMPOSO4和ZnO共混时作为阴极界面层时，光伏器件性能进一步提升到了7.01%。表明采用这种不同阴离子修饰的小分子与ZnO制备的杂化阴极界面层，可以有效的提高有机太阳电池器件的性能。 在第四章中，在传统非富勒烯小分子受体材料IDTBR的侧链上引入叔胺官能团，发展了一种新型小分子阴极界面材料N-IDTBR。在非富勒烯小分子的基础上，N-IDTBR具有良好的水/醇溶性。将N-IDTBR作为阴极界面层运用在以P3HT:O-IDTBR为活性层的光伏器件中，结果表明N-IDTBR不仅具有良好的电子传输性能，本身还具有一定的受体材料性质，能在一定程度上提高器件对光的吸收，进而提高其光电转换效率。当采用非卤素溶剂体系2-甲基苯甲醚：1-甲基萘(1:1)加工活性层时，相关有机光伏器件的最高效率可以达到6.10%。此外N-IDTBR在一定厚度范围内都能保持较好的器件性能，在界面层厚度为33nm时仍能保持最高效率的91%。 在第五章中，合成了主链为二噻吩并环戊二烯单元和并噻吩单元的水/醇溶聚电解质PCPDT-TT新型阳极界面材料，将其应用在有机太阳电池器件当中。结果表明在以PTB7-Th:PC71BM作为活性层的器件中，采用PCPDT-TT作为阳极界面材料的器件取得了7.88%的效率，与采用传统阳极界面材料PEDOT:PSS的参比器件效率相当。进一步与四氟乙烯与全氟-3,6-二氧-4-甲基-7-辛烯磺酸的共聚物(PFI)共混，并将其作为阳极界面层应用在有机光探测器器件当中。以PTzBI:N2200作为光活性层，可以得到1.24×10-9Acm?2的暗电流，1.38×1013Jones的探测率以及0.274AW?1的灵敏度，相比于基于单纯PFI的器件，探测率以及灵敏度都有一定程度的提升。 在第六章中，设计并合成了基于苯并三唑作为核心的非富勒烯小分子dFTz-dTR以及聚合物PTzDTEh-BDTF。通过调节苯并三唑上的氟原子数量和噻吩上烷基链的长度，调控了材料的溶解性、吸收和能级等性能。尝试将这两个材料作为受体应用在以P3HT为给体的光伏器件中，发现由于吸收、能级不够匹配等原因，相关器件的最终效率都比较低，其中基于小分子dFTz-dTR的器件的最终效率为0.59%;而基于聚合物PTzDTEh-BDTF的器件只得到了0.16%的能量转换效率。这两个材料虽然并未取得理想的器件性能，但是这一工作仍然为中心单元为吸电子单元的非富勒受体材料的设计与合成提供了参考意义。
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