窄能隙给体聚合物能级的调节与高LUMO能级富勒烯受体光伏特性研究

在保证大短路电流的基础上，提高开路电压是实现聚合物本体异质结光伏电池性能提升的前提。因此，在保持给体聚合物窄能隙的情况下，通过改善其与电子受体的能级匹配关系，是实现器件性能提升的关键。但是目前常见的窄能隙给体聚合物的HOMO能级与PCBM等电子受体材料的LUMO能级差较小，这导致了器件的开路电压较低，若能进一步改善两者之间的能级结构，器件的光电转换效率仍有提升的余地。.本项目基于弱富电单元（D）、强缺电单元（A）的理念，设计合成两类新型的D-A-D型给体聚合物，在保持给体聚合物窄能隙的前提下，通过取代基结构的修饰，拉深聚合物的HOMO能级。另一方面，选择高LUMO能级的富勒烯衍生物作为电子受体材料（茚-C60（C70）单加成物与双加成物），根据给体聚合物与受体的能级结构进行优化匹配，试图在保证大短路电流的情况下提升开路电压，实现提高聚合物本体异质结光伏电池光电转换效率的目的。

系统研究了窄能隙给体聚合物HOMO能级的调控方法，利用氟原子取代获得了一系列以氟代喹喔啉、氟代苯并噻二唑等为缺电子单元的D-A聚合物，实现了HOMO能级的有效拉深，应用于结构为ITO/PEDOT:PSS/polymer:PC71BM/ PFN(Ca)/Al的正向电池中，实现了开路电压和光电转换效率的提升，其中双辛基噻吩取代二噻吩并苯与双氟代苯并噻二唑的聚合物P3获得了高达8.47%的光电转换效率。系统研究了二噻吩并苯侧基噻吩上烷基对聚合物性能的影响规律，发现2,3-二辛基噻吩取代聚合物比传统的2-异辛基噻吩取代聚合物具有更深的HOMO能级和稍大的能隙，应用于结构为ITO/PEDOT:PSS/polymer:PC71BM/ PFN/Al的正向电池中，实现了开路电压和填充因子的提升，进而增强了器件的光电转换效率（提升幅度4~8%），该研究对于深HOMO能级聚合物给体材料侧基的设计具有指导作用。制备了一系列基于二苯甲烷的PCBM加成物，研究了二苯甲烷上取代基特性对富勒烯能级的影响，实现了LUMO能级高达-3.71eV的富勒烯衍生物，利用P3HT与富勒烯衍生物制备了光伏电池，获得了最高0.82V的开路电压。利用瞬态光电流和瞬态光电压，考察了溶剂蒸汽退火（SVA）对聚合物PBDTTFTQ-DO光伏电池性能影响的机理，发现在最优的SVA条件下能够有效提高载流子扩散长度，提升光电流密度，从而使得器件的开路电压、短路电流、填充因子和效率提升，该研究为深入理解退火处理方式对聚合物性能影响的机理，进而提升光伏电池的光电转换效率，奠定了实验和理论基础。