基于富勒烯两亲性两嵌段共轭聚合物超薄薄膜的光伏器件研究

Amphiphilic conjugated diblock copolymers with hydrophobic fullerene blocks and hydrophilic poyfluorenes blocks are the target materials in this project. PEO derivatives, amino, phosphonate and zwitterionic side chains will be introduced into the polyfluorenes blocks. Cationic and anionic polyfluorenes will also be applied to the diblock copolymers. Interface layers between the cathode and active layer in OPV will be prepared based on the above materials. The molecular weights of polyfluorenes, solvents, speeds for the spin-coating and solvents evaporation, as well as the thermal annealing temperatures will be optimized to control the morphology of the interface layers. The ideal morphology for the interface layer is a single layer of the di-block copolymer with parallel fullerene moleculars attached to the OPV active layer and the polyfluorenes block on the surface, which will be next to the cathode. The fullerene blocks here are expected to improve the compatibility of the hydrophilic poyfluorenes and the hydrophobic OPV active layer, which can also help the electron out-put and decrease the hole quenching at the cathode. The hydrophilic poyfluorenes blocks are expected to provide strong dipoles to fasten the electron out-put. The aim of the project is to get high quality cathode interface layer and improve the performances of OPV by the new materials and their morphology control.

本项目拟合成富勒烯基两亲性两嵌段共轭聚合物，富勒烯为疏水嵌段，水溶性聚芴为亲水嵌段。聚芴侧链采用寡聚醚、胺、磷脂和双离子侧链，及含有自由移动对离子的阴离子和阳离子。通过聚芴嵌段聚合度的优化、溶剂的选择、薄膜旋涂速度与溶剂挥发速度的控制、及器件热处理条件的优化等，在有机/聚合物太阳能电池（OPV）的活性层上制备阴极界面层。此界面层为垂直于基底、平行排列的两嵌段共轭聚合物单层层状结构或近似形貌。其中富勒烯嵌段平行排列且与活性层完全融合，聚芴嵌段平行排列并与阴极接触。通过富勒烯嵌段改善与活性层的相容性，克服极性共轭聚合物，尤其是离子型共轭聚合物与非极性活性层浸润性差的问题。在此超薄界面层薄膜中，富勒烯嵌段可以实现高效的电子传输和空穴阻隔，极性嵌段在阴极界面形成强偶极促进电子的提取。本项目拟通过材料设计与薄膜制备条件的优化，提高OPV阴极界面层的均匀度、可重复性和器件性能。

合成了富勒烯基两亲性两嵌段大分子材料，以富勒烯为疏水嵌段，通过短烷基链与含有水溶性侧链的芴嵌段连接。芴侧链采用寡聚醚和含有自由移动对离子的季铵盐，及两者的结合。化学结构表征和吸收光谱分析验证了所获材料的结构。实验结果表明，含有季铵盐侧链的两嵌段大分子能体现出恰当的溶解特性。通过芴嵌段长度控制能进一步调节两亲性大分子的溶解性。当芴重复单元为两个时，即可获得具有预期溶解性的两亲性质。富勒烯-二聚阳离子芴两嵌段分子在能够较好地溶解在选择性溶剂DMSO中，同时对极性溶剂（醇类，丙酮）及非极性（甲苯，氯苯及氯仿）均不溶解，为我们进行溶剂退火完成超薄薄膜的自组织及多层结构器件的制备，提供了可行性。通过对材料溶解性的分析，含有自由移动对离子的季铵盐两嵌段大分子适用于反式结构的有机/聚合物太阳能电池。我们旋涂制备了超薄（3-5nm）的富勒烯基两亲性两嵌段大分子薄膜，在充满惰性气体和退火溶剂的密闭容器中实现形貌调控。通过对溶剂选择和退火时间等的优化，根据对接触角、显微镜和AFM等测试数据与图像的分析，我们证明了超薄薄膜形貌控制的可靠性。结合薄膜厚度，可以推断在超薄薄膜形成了类似双层结构的自组织，即富勒烯和极性芴嵌段形成了分离的两层或者近似结构。基于上述溶剂退火的薄膜形貌优化方法，作为阴极界面层，用于反式结构有机/聚合物太阳能电池（OPV）中。此界面层为垂直于基底、平行排列的两嵌段共轭聚合物双层层状结构或近似形貌。其中富勒烯嵌段平行排列且与活性层完全融合，聚芴嵌段平行排列并与阴极接触。通过富勒烯嵌段改善与活性层的相容性，克服离子型共轭聚合物与非极性活性层浸润性差的问题。在超薄阴极界面层薄膜中，利用富勒烯层实现高效的电子传输和空穴阻隔，极性嵌段层在阴极界面形成强偶极促进电子的提取。