高效三元非富勒烯有机太阳能电池的研究

高效三元非富勒烯有机太阳能电池的研究有机太阳能电池（OSCs）具备低成本、质量轻、可柔性、易于大规模生产等特点,是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。非富勒烯材料合成路径简单,分子能级可调性强,基于非富勒烯受体的OSCs近年来备受关注。

然而,目前主流的非富勒烯普遍存在薄膜形貌难以调控、载流子迁移率低等缺陷。三元策略能有效拓宽活性层吸收光谱范围,提升器件的短路电流密度

(J_SC)和填充因子（FF）。

但是三元器件的研究中存在着光电转化效率（PCE）较低、稳定性差等问题。针对以上问题,本论文基于经典的非富勒烯体系PTB7-Th:ITIC,采用三元策略来优化器件的性能,得到了高效率高稳定性的三元非富勒烯器件。

主要内容如下:1.在PTB7-Th:ITIC体系中引入了一种基于菲并咪唑的小分子材料TPPI-TPE,实现了高效率的三元非富勒烯器件。当掺杂比例为10 wt%时,与二元器件相比,三元器件的FF从57.88%提升到65.63%,PCE从7.88%提升到9.50%,提升幅度超过20%。

研究表明,TPPI-TPE与二元主体系的吸收光谱互补,引入可以增强共混膜的光吸收,更重要的是TPPI-TPE可以促进聚合物给体的结晶,增强其π-π堆叠强度,对活性层的形貌起到了调控作用,激子解离和电荷传输同时得到了改善。2.在此基础上,向PTB7-Th:ITIC体系中引入染料分子香豆素7（C7）,实现了高性能三元非富勒烯器件,并详细研究了第三组分与主体系的分子间相互作用对性能造成的影响。

当C7掺杂比例为10 wt%时,三元器件J_SC从14.87

mA/cm²提升为18.36 mA/cm²,获得了10.16%的PCE,较

二元器件（PCE=7.50%）提升幅度超过35%。C7与ITIC能形成分子间氢键,增强了ITIC的拉电子能力,促进PTB7-Th向ITIC间形成更有效的电荷传输;此外,氢键相互作用改善了活性层的形貌和垂直相分离,极大地增强了光子吸收能力并增加有效的传输通道。

为了进一步证明氢键的关键作用,引入了另一种与C7具有相似化学结构和吸收光谱的染料分子香豆素30（C30）,C30不能与ITIC形成氢键,该三元器件的性能并没有得到改进。3.获得了光稳定性、热稳定性和寿命都得到显著提升的三元器件,这说明三元共混方法不仅可以提升光伏性能,还可以改善器件的稳定性,这对于OSCs的实际应用有着重要意义。

本文研究了两种能用于构建三元OSCs的小分子材料,进一步阐明了第三组分对器件性能影响的内在机制,为第三元材料的选择提供了一定的思路。