自組裝嵌段共軛聚合物電解質(zhì)及超支化小分子陰極界面修飾應(yīng)用于聚合物太陽電池.pdf

1、體相異質(zhì)結(jié)聚合物(BHJ)太陽能電池(PSCs)因其具有質(zhì)輕、柔韌性好、便于大面積卷對(duì)卷印刷等優(yōu)點(diǎn)引起了越來越多的關(guān)注。近年來，聚合物太陽能電池取得了較大的進(jìn)步，能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)已超過13％。然而，聚合物太陽能電池要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大面積制備還需要解決一些科學(xué)問題，如電荷的分離、傳輸和收集效率低等限制了其大面積商業(yè)化生產(chǎn)。良好的界面接觸和優(yōu)異的界面層和活性層形貌非常重要。因此，需要設(shè)計(jì)一種能同時(shí)調(diào)控界面勢(shì)壘和提高活性層形貌的界面層。

2、r>　　共軛聚合物電解質(zhì)(CPEs)由離域的π共軛主鏈和功能化的極性側(cè)鏈組成。由于CPEs和活性層的正交溶解性可避免與憎水性的活性層互混。同時(shí)，由于CPEs和金屬電極之間存在靜電相互作用，可在界面形成偶極子，降低陰極的功函(WF)，有利于電荷提取和收集，從而提高器件的PCE。嵌段共軛聚合物因其兩端主鏈之間的不相容性和結(jié)晶性差異，嵌段共軛聚合物可自發(fā)自組裝成有序的納米結(jié)構(gòu)。如果將嵌段共軛聚合物和CPEs的在分子水平上結(jié)合，得到嵌段共軛聚合

3、物電解質(zhì)(DBCPEs)，它將具有許多新穎的性質(zhì)，如能形成有序的納米結(jié)構(gòu)、可降低金屬電極WF、降低界面勢(shì)壘和實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好水/醇溶性加工等等。
　　首先，設(shè)計(jì)合成了兩種新型的DBCPEs，分別以芴和噻吩(PFEO-b-PTNBr)以及芴和咔唑(PFEO-b-PCNBr)為主鏈，功能化極性基團(tuán)乙氧基鏈和季銨鹽為側(cè)鏈。將DBCPEs修飾ZnO不僅能夠很好地調(diào)控ZnO的功函，還能提高無機(jī)ZnO和有機(jī)活性層之間的界面相容性。此外，自組裝的D

4、BCPEs PFEO-b-PCNBr和PFEO-b-PTNBr還能作為模板進(jìn)一步誘導(dǎo)上層活性層形成有序的納米纖維和納米柱狀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電荷的提取和傳輸。ZnO/DBCPEs雙層電子傳輸層可同時(shí)提高器件的各項(xiàng)參數(shù)，包含開路電壓（Voc），短路電流（Jsc），填充因子（FF）和PCE。最終，以聚(3-己基噻吩)(P3HT):(6,6)-苯基-C61丁酸甲酯(PC61BM)活性層，以ZnO為電子傳輸層的器件效率為3.0%，以ZnO/PFEO-b

5、-PCNBr為電子傳輸層的器件效率提升至3.6%。由于ZnO/PFEO-b-PTNBr能形成更大的偶極子和更好的形貌表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能，器件效率提高至3.8%。此外，將ZnO/PFEO-b-PTNBr作為電子傳輸層，以PBDB-T:ITIC為活性層的器件效率高達(dá)10.8%。
　　接著，把性能更好的PFEO-b-PTNBr的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，將側(cè)鏈的季銨鹽陽離子替換成體積更大的咪唑鹽陽離子，得到新的DBCPEs PFEO-b-PTIm

6、Br。將兩種PFEO-b-PTNBr和PFEO-b-PTImBr作為電子傳輸層應(yīng)用于聚合物太陽能電池來研究不同末端陽離子對(duì) ITO的功函和上層活性層的形貌和排列的影響。自發(fā)自組裝的PFEO-b-PTNBr和PFEO-b-PTImBr ETLs不僅能在ITO電極和活性層界面產(chǎn)生歐姆接觸，還能自組裝成蜈蚣狀模板進(jìn)一步誘導(dǎo)活性層形成有利的face-on排列。通過電子順磁共振(EPR)測(cè)試，在兩種p-型主鏈的DBCPEs中均可觀察到n-型自摻雜

7、現(xiàn)象，并且PFEO-b-PTImBr比PFEO-b-PTNBr的EPR信號(hào)更強(qiáng)。最終，以P3HT:PC61BM為活性層，基于PFEO-b-PTNBr為ETL的器件效率升至3.1%，而基于PFEO-b-PTImBr的效率為3.5%。以PTB7-Th:PC71BM為活性層時(shí)，以ZnO/PFEO-b-PTNBr和ZnO/PFEO-b-PTImBr為電子傳輸層的器件效率分別為9.0%和9.4%。基于ZnO/PFEO-b-PTNBr和ZnO/PF

8、EO-b-PTImBr電子傳輸層，以PTB7-Th:PC71BM為活性層的器件效率優(yōu)于傳統(tǒng)的已報(bào)道的經(jīng)典的PFN(8.4%)和PFNBr(8.4%) ETLs器件。
　　小分子電解質(zhì)(SMEs)具有重復(fù)性好、易提純和結(jié)構(gòu)固定等優(yōu)點(diǎn)。通過一步法簡(jiǎn)單反應(yīng)，我們首次報(bào)道了一種新型超支化小分子電解質(zhì)PNSO3Na，并將其作為電子傳輸層應(yīng)用于聚合物太陽能電池。由于一摩爾的PNSO3Na含有七摩爾的丁基磺酸鈉，超支化PNSO3Na有機(jī)界面層能

9、提高界面接觸并能調(diào)節(jié)界面能級(jí)，提高器件效率。以P3HT:PC61BM為活性層，相對(duì)于ITO器件，以PNSO3Na為ETL的器件效率從0.8%提高到3.7%。當(dāng)將ZnO/PNSO3Na作為電子傳輸層時(shí)，以PBDB-T:ITIC為活性層的器件效率高達(dá)11.2%。
　　集合超支化小分子電解質(zhì)（SMEs）和高電子親和勢(shì)材料的雙重優(yōu)勢(shì)，我們首次設(shè)計(jì)合成了兩種分別以四亞乙基五胺（PDIPN）和丁基磺酸鈉四亞乙基五胺（PDIPNSO3Na）為支

10、鏈的新型的苝酰亞胺衍生物作為電子傳輸層。由于極性支鏈的存在，兩種苝酰亞胺衍生物PDIPN和PDIPNSO3Na ETLs均能形成界面偶極，提高界面接觸。因?yàn)槠p酰亞胺本身具有的高電子親和勢(shì)，PDIPN和PDIPNSO3Na均有來自于極化子的EPR信號(hào)峰，表明具有n-型自摻雜效應(yīng)。此外，相對(duì)于PDIPNSO3Na，PDIPN具有更強(qiáng)的EPR強(qiáng)度，主要?dú)w功于PDIPN中四亞乙基五胺支鏈具有更高的負(fù)電荷密度。因此，相對(duì)于PDIPNSO3Na，基