银纳米线半嵌入聚酰亚胺复合电极在有机太阳能电池中的应用研究
有机太阳能电池（Organicsolarcells，OSCs）具有质轻、柔性、低成本、溶液加工等特点，是目前的热点研究领域。其中以超薄透明聚合物（厚度＜10μm）为基底的超柔OSCs使轻和柔的特点更加突出，适用于刚性器件难以胜任的应用场景，尤其是作为柔性电子系统的供能设备，在可穿戴设备、健康监测、柔性机器人及便携电源方面具有重大应用潜能。然而，迄今为止，超柔OSCs的光电转换效率依然落后于刚性电池器件，高性能柔性基底与柔性电极的匮乏是限制性能提升的关键。聚酰亚胺（Polyimide，PI）兼具优异的机械性能、热稳定性、透光性、化学稳定性和低表面粗糙度等多种优点，是柔性基底的理想选择。在柔性电极选择方面，银纳米线（Silvernanowires，AgNWs）具有较高的透光率、导电性以及柔性，并且制备方法简单，兼容柔性太阳能电池的各种溶液加工方法，被认为是替代氧化铟锡（IndiumTinOxide，ITO），制备高性能柔性电极的最佳选择。然而，将AgNWs直接分散在聚合物基底上所得的复合电极粗糙度高、界面粘附性弱、热稳定性和空气（如氧化和硫化）稳定性差，限制了其在超柔有机太阳能电池领域的应用。针对以上问题，本论文采用将AgNWs半嵌入PI的策略，得到兼具低表面粗糙度，高透光率、热稳定性以及力学稳定性的超薄柔性透明复合电极，并构筑超柔OSCs。主要研究成果如下： （1）将AgNWs半嵌入无色透明聚酰亚胺（Colorlesspolyimide，CPI）基底中，开发了一种高性能超薄AgNWs@CPI透明复合电极，应用于高效超柔OSCs中。首先，成功合成了一系列不同分子量（35.9kDa至177.5kDa）的CPIs，并对其光学、机械和热性能进行了详细研究。其次，制备得到兼具优异电导率、透光率、表面粗糙度、热稳定性和机械稳定性的超薄AgNWs@CPI透明复合电极（厚度~9μm）。同时，研究了CPI各分子量区域能够耐受后续器件溶液制备过程的临界基底厚度。最后，构筑了基于AgNWs@CPI复合电极的超柔OSCs，其光电转换效率达到14.37%，并且具有优异的柔性和机械弯折稳定性，在0.5mm半径下弯折4000次，PCE仍可保持初始值的93%以上。 （2）通过构筑强氢键得到物理交联的聚酰亚胺，以提高材料的力学、热学以及耐溶剂性能，并且具有过滤紫外光的性能。结合半嵌入法得到超薄复合电极，成功制备了机械弯折稳定及紫外光辐照稳定的超柔有机太阳能电池。首先，在聚酰亚胺结构设计中引入羟基和苯并咪唑单元，合成含氢键的聚酰亚胺（Hydrogen-bondedpolyimide，HB-PI），HB-PI薄膜的机械性能和耐溶剂性都得到显著提升。并且薄膜的截止波长达到376nm，可过滤掉95%紫外光。其次，采用AgNWs半嵌入柔性基底的策略，得到超薄复合电极（AgNWs@HB-PI，厚度约7μm）。最后，基于AgNWs@HB-PI复合电极制备超柔OSCs，其光电转换效率达到13.53%。紫外光下持续光照180min后，超柔OSCs的效率基本不变，而刚性器件下降了12%，该结果表明AgNWs@HB-PI复合电极能有效过滤紫外光，提升器件的紫外光辐照稳定性。
超柔有机太阳能电池;柔性透明复合电极;聚酰亚胺;银纳米线
北京化工大学
硕士
化学
李韦伟
2022
中文
TM914.4
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）