水/醇溶性共軛聚合物的設(shè)計(jì)及用于高效聚合物太陽能電池界面調(diào)控

【摘要】：由于聚合物太陽能電池(PSC)能通過印刷技術(shù)生產(chǎn)且成本低廉，與PSC相關(guān)的研究在近幾十年取得了巨大的進(jìn)展。PSC的能量轉(zhuǎn)換效率已超過10%。優(yōu)化PSC器件效率的方法包括對(duì)新型光活性聚合物的設(shè)計(jì)、使用高效的器件結(jié)構(gòu)、應(yīng)用新型的器件制備技術(shù)和引入界面材料用于電極的調(diào)控。界面調(diào)控對(duì)PSC器件性能的提高起到了至關(guān)重要的作用。合適的界面材料能有效地抑制激子的復(fù)合且能起到降低在活性層/電極界面的接觸電阻。 目前有很多電荷傳輸材料用于PSC中電極的修飾。最近，具有兩親性特性的共軛聚電解質(zhì)—骨架為π共軛鏈且側(cè)鏈帶有離子功能基團(tuán)的聚合物—由于其能在親水性電極和疏水性活性層之間建立連結(jié)而逐漸成為一類在PSC中出色的界面材料。本論文中，我們?cè)赑SC的陰極界面引入了不同類型的CPE，以研究其是如何影響器件性能的，并開發(fā)出能夠優(yōu)化器件性能的手段。 首先，我們合成了兩種基于芴的CPE材料：分別帶有陽離子和陰離子側(cè)鏈的PFNBr和PFSO3Na，并將其應(yīng)用于傳統(tǒng)PSC的陰極界面層。由于CPE在活性層/金屬電極界面會(huì)形成偶極子的取向，從而造成兩種帶有相反的電荷CPE對(duì)陰極的功函數(shù)和界面相互作用產(chǎn)生了不同的影響。與陽離子的PFNBr相比，PFSO3Na由于其極性側(cè)鏈在PFSO3Na/Al界面的聚集作用使得其能產(chǎn)生更有利的界面偶極子，從而顯著降低Al的功函數(shù)。之后，我們?cè)诜聪騊SC中將三種基于噻吩的，分別含有陽離子(PTSO-Na)、中性(PTNOH)和陰離子(PTN-Br)基團(tuán)的CPE與ZnO結(jié)合而形成ZnO/CPE的雙層電子傳輸層(ETL)。當(dāng)我們將含有季胺基陽離子的PTN-Br沉積在ZnO薄膜表面時(shí)，我們觀察到在CPE的陽離子基團(tuán)和ZnO表面負(fù)電荷的氧離子之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的靜電相互作用。這種靜電自組裝使得在界面形成了強(qiáng)烈的偶極子和緊密的界面接觸。含有自組裝ZnO/PTN-Br界面層的反向PSC ITO/ZnO/CPE/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag不僅得到了最高的PCE值，而且在未封裝的情況下器件實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的性能穩(wěn)定。以上研究結(jié)果表明，CPE的側(cè)鏈基團(tuán)對(duì)器件界面的偶極子的形成和界面的相互接觸都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 為了加強(qiáng)CPE對(duì)PSC器件性能的改善作用，我們使用了一種簡(jiǎn)單的方法來操控界面層的偶極矩。我們將一種離子液晶(ILCs) CbpNSO同CPE材料PTNBr混合形成了一種新型的共軛聚電解質(zhì)-離子液晶CPE-ILC復(fù)合物。液晶的自發(fā)取向使得CPE-ILC復(fù)合物實(shí)現(xiàn)了更有序的排列。更重要的是，液晶引導(dǎo)的自組裝改善了陰極偶極子的取向，從而顯著降低了ITO的功函數(shù)。含有PTNBr-CbpNSO復(fù)合物的反向P3HT:PC60BM太陽能電池的PCE相比于含有純PTNBr器件的值提高了37%。此后，我們將另一種CPE-ILC復(fù)合物PFN-CbpSO作為高效率的PBDTTT-C-T:PC71BM電池的ETL層，同時(shí)在陽極界面層引入溶液加工的氧化物(WO3)和共軛聚合物PBDTT-TT-TEG組成的空穴傳輸層(HTL)。這幾類界面層的引入實(shí)現(xiàn)了器件在兩端電極同時(shí)達(dá)到能級(jí)匹配。由以上幾種溶液加工型界面層組成的反向器件ITO/PFN-CbpSO/PBDTTTC-T:PC71BM/PBDTT-TT-TEG/WO3/Ag的PCE達(dá)到了7.8%。值得關(guān)注的是，除去兩端的電極，此PSC的每一層都是在室溫下通過不用退火的溶液加工方法制備的。當(dāng)把ZnO界面層引入此高效PSC器件時(shí)，器件的效率進(jìn)一步提升至8.5%，這是目前已經(jīng)報(bào)道過的兩極界面層通過溶液加工制備的PBDTTT-C-T:PC71BM太陽能電池的最高能量轉(zhuǎn)換效率。這部分的工作表明，在CPE-ILC界面層的幫助下，我們成功地開發(fā)了一種將高效率、溶液可加工和在空氣中長(zhǎng)時(shí)間性能穩(wěn)定等性質(zhì)集于一身的PSC器件。此PSC的成功開發(fā)對(duì)于最終制備可商業(yè)化的印刷型大面積PSC具有實(shí)踐的指導(dǎo)作用。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 界面層 共軛聚電解質(zhì) 高能量轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O631;TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 引言10-11
• 1.2 有機(jī)聚合物太陽能電池概述11-14
• 1.2.1 有機(jī)太陽能電池工作原理11-12
• 1.2.2 有機(jī)太陽能電池器件的性能參數(shù)12-13
• 1.2.3 有機(jī)太陽能電池器件結(jié)構(gòu)13-14
• 1.3 有機(jī)聚合物太陽能電池界面調(diào)控14-17
• 1.3.1 界面層的功能14
• 1.3.2 聚合物太陽能電池有機(jī)界面材料14-17
• 1.4 共軛聚電解質(zhì)用于聚合物太陽能電池界面調(diào)控17-20
• 1.4.1 中性共軛聚電解質(zhì)作為電子傳輸層17-18
• 1.4.2 離子型共軛聚電解質(zhì)作為電子傳輸層18-20
• 1.5 本課題提出的意義和研究?jī)?nèi)容20-21
• 第2章 共軛聚電解質(zhì)陰極界面層所帶電荷對(duì)體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池性能的影響21-41
• 2.1 引言21-22
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分22-26
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑22-23
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及表征手段23
• 2.2.3 共軛聚電解質(zhì)的合成23-25
• 2.2.4 聚合物太陽能電池器件的制備與表征25-26
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論26-39
• 2.3.1 合成與結(jié)構(gòu)表征26-27
• 2.3.2 光學(xué)和電化學(xué)性能27-29
• 2.3.3 太陽能電池器件性能29-33
• 2.3.4 太陽能電池器件的光學(xué)性能33-34
• 2.3.5 共軛聚電解質(zhì)在太陽能電池器件中作用機(jī)理研究34-37
• 2.3.6 太陽能電池器件形貌37-39
• 2.4 本章小結(jié)39-41
• 第3章 靜電自組裝金屬氧化物/共軛聚電解質(zhì)電子傳輸層用于高效聚合物太陽能電池41-58
• 3.1 引言41-42
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分42-46
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑42-43
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及表征手段43-44
• 3.2.3 材料的合成44-46
• 3.2.4 聚合物太陽能電池器件的制備與表征46
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論46-57
• 3.3.1 聚合物結(jié)構(gòu)特性和光學(xué)性能46-47
• 3.3.2 X 射線光電子能譜47-48
• 3.3.3 紫外光電子能譜48-50
• 3.3.4 反向太陽能電池能級(jí)結(jié)構(gòu)50-51
• 3.3.5 反向太陽能電池形貌51-54
• 3.3.6 反向太陽能電池器件性能54-56
• 3.3.7 反向太陽能電池的穩(wěn)定性56-57
• 3.4 本章小結(jié)57-58
• 第4章 自組裝的共軛聚電解質(zhì)-離子液晶復(fù)合物作為聚合物太陽能電池界面層58-72
• 4.1 引言58-59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分59-62
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑59-60
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及表征手段60
• 4.2.3 材料的合成60-61
• 4.2.4 聚合物太陽能電池的制備和表征61-62
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論62-70
• 4.3.1 離子液晶(ILC)的結(jié)構(gòu)表征62-63
• 4.3.2 共軛聚電解質(zhì)-離子液晶(CPE-ILC)復(fù)合物的光學(xué)性能表征63-65
• 4.3.3 共軛聚電解質(zhì)-離子液晶(CPE-ILC)復(fù)合物的形貌65-66
• 4.3.4 太陽能電池器件的能級(jí)結(jié)構(gòu)和器件性能66-68
• 4.3.5 高效太陽能電池性能68-70
• 4.3.6 太陽能電池的載流子遷移率70
• 4.4 本章小結(jié)70-72
• 第5章 對(duì)室溫制備的溶液加工型聚合物太陽能電池器件效率的優(yōu)化72-86
• 5.1 引言72-74
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分74-75
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑74
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及表征手段74
• 5.2.3 材料的合成和制備74-75
• 5.2.4 聚合物太陽能電池器件的制備75
• 5.2.5 電極的功函數(shù)測(cè)量75
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論75-85
• 5.3.1 共軛聚電解質(zhì)-離子液晶(CPE-ILC)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)表征75-76
• 5.3.2 共軛聚電解質(zhì)-離子液晶(CPE-ILC)復(fù)合物的光學(xué)性能表征76-77
• 5.3.3 空穴傳輸層 PBDTT-TT-TEG 的自組裝性能研究77-78
• 5.3.4 室溫加工型氧化鎢空穴傳輸層的物理化學(xué)性能78-79
• 5.3.5 太陽能電池的界面修飾和器件性能研究79-82
• 5.3.6 溶液加工型空穴傳輸層用于太陽能電池界面修飾82-83
• 5.3.7 高效太陽能電池的穩(wěn)定性83-85
• 5.4 本章小結(jié)85-86
• 第6章 結(jié)論與展望86-88
• 6.1 結(jié)論86-87
• 6.2 展望87-88
• 致謝88-89
• 參考文獻(xiàn)89-100
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果100

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量子點(diǎn)-聚合物納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展    駱樂;向衛(wèi)東;謝翠萍;鐘家松;梁曉娟;鄒軍;呂春燕;

P3HT/PCBM太陽能電池的研究進(jìn)展    秦元成;冷莎;李明俊;陳科信;謝宇;錢莉民;

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生物素功能化水溶性共軛聚合物的合成、表征及其生物分析應(yīng)用    劉興奮;蔡小慧;黃艷琴;石琳;范曲立;黃維;

共軛聚合物的生物識(shí)別與傳感研究    王樹;

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新型給受體結(jié)構(gòu)的共軛聚合物的合成及光電性能    陳仕艷;應(yīng)燕君;王華平;

新型乙烯撐和乙炔撐給體與受體交替共軛聚合物的光伏性能研究    路勝利;曹鏞;

共軛聚合物中的結(jié)構(gòu)缺陷研究    馬於光;

納米SiO_2/共軛聚合物復(fù)合物結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)    王立冬;陸丹;馬於光;

微波輔助高質(zhì)量共軛聚合物合成    張文思;路萍;馬於光;

含聯(lián)苯共軛聚合物的合成    張磊;崔元臣;

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共軛聚合物材料的設(shè)計(jì)合成及其光電性能研究    彭強(qiáng);

聚芳烴二炔類水溶性共軛聚合物的合成及其在傳感器中的應(yīng)用研究    曾文南

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分子刷型水溶性共軛聚合物的合成、表征與傳感應(yīng)用研究    張志勇

新型共軛聚合物的合成及其光電性能研究    王曉晨

新型共軛聚合物的設(shè)計(jì)、合成及光電性能研究    曹康麗

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星狀共軛聚合物的單分子膠束化發(fā)光策略及其應(yīng)用    邱豐

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以苯并咪唑類衍生物為識(shí)別基的共軛聚合物的設(shè)計(jì)、合成及化學(xué)傳感特征    向剛

熒光共軛聚合物在化學(xué)傳感器上的應(yīng)用    葉心亮

陽離子熒光共軛聚合物的合成及其在生物分子檢測(cè)中的應(yīng)用    王勝鋒

新型水溶性聚苯乙炔—吡啶類共軛聚合物的合成及熒光傳感應(yīng)用研究    胡玉琴

含噻吩和噻唑基元的共軛聚合物的合成和光伏性能研究    國(guó)霞

含3，4-乙烯二氧噻吩共軛聚合物與三苯胺基染料的合成及光伏性能研究    田宗芳

熒光共軛聚合物合成及其在金屬離子檢測(cè)中的應(yīng)用    王安寧

水溶性導(dǎo)電共軛聚合物的合成和性質(zhì)研究    余明輝

吩噻嗪共軛聚合物的合成與性能表征    李江輝

一種放大熒光共軛聚合物的制備及應(yīng)用研究    趙曉麗

水溶性熒光共軛聚合物的合成及其應(yīng)用研究    李東

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