新型有機(jī)高分子太陽能電池制備的研究

【摘要】：體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池(BHJ-PSCs)以其潛在的優(yōu)勢-成本低，重量輕，具有良好的靈活性和簡單的制造方法，在最近幾年引起了全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注。體異質(zhì)結(jié)太陽能電池采用P型(或n型)有機(jī)半導(dǎo)體和電子受體材料(或者給體材料)制備。在各種具有光生伏打效應(yīng)的供體-受體復(fù)合物中，聚(3-己基噻吩)(P3HT)和[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的混合物已被廣泛的研究，因?yàn)榛谶@種復(fù)合材料的有機(jī)光生伏打電池具有重復(fù)性很好的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)3-5％。盡管在過去的幾年里，有機(jī)光生伏打電池的能量轉(zhuǎn)換效率具有顯著增加，甚至可以與其他太陽能電池技術(shù)進(jìn)行有效的競爭，然而開發(fā)新型光電材料仍然是一個(gè)亟待解決的問題。 為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)并合成了兩類新型共軛聚合物，將苯并二噻吩和異靛藍(lán)分別與3,4-乙撐二氧噻吩和3,4-乙撐二硫噻吩分別進(jìn)行聚合。并探討其熱穩(wěn)定性、光學(xué)特性、電化學(xué)特性和光伏特性。具體如下： 首先本文采用Stille偶聯(lián)的方法利用催化劑Pd2(dba2)3和配體P(o-tyl)3合成了聚苯并二噻吩-乙撐二氧噻吩P(BDT-EDOT)和聚苯并二噻吩-乙撐二硫噻吩P(BDT-EDTT)。PBDTEDOT和PBDTEDTT的5%質(zhì)量失重溫度分別為321oC和331oC。PBDTEDOT在溶液和薄膜中的最大吸收峰(λmax)分別出現(xiàn)在502nm和524nm；而PBDTEDTT在溶液和薄膜中的最大吸收峰(λmax)分別出現(xiàn)在494nm和537nm。與溶液吸收光譜相比，PBDTEDTT薄膜吸收光譜具有明顯的紅移，這一現(xiàn)象表明聚合物PBDTEDTT在薄膜狀態(tài)下具有明顯的分子主鏈之間的堆砌。PBDTEDOT的HOMO和LUMO能級分別為-4.98eV和-2.86eV；而聚合物PBDTEDTT的HOMO和LUMO能級分別為-5.18eV和-3.23eV。正型器件測試結(jié)果顯示PBDTEDOT:PCBM(10mg/mL，1:1)的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)為0.19%；而PBDTEDTT:PCBM共混比例為2:1時(shí)，在120oC溫度下退火5min得到的光伏器件性能最好，其對應(yīng)的開路電壓(Voc)、短路電流(J_(sc))、填充系數(shù)(FF)和能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)分別為0.687V，6.616mA/cm2，52.79%和2.399%。PBDTEDOT的反型器件測試結(jié)果不如正型器件結(jié)果好。PBDTEDOT:PCBM(1:1)薄膜在退火前后Sq值分別為0.589nm和0.86nm；而PBDTEDTT:PCBM(2:1)薄膜在退火前后Sq值分別為0.438nm和0.589nm。PBDTEDTT的C–O單鍵大致在1047cm-1的位置、甲基和亞甲基出現(xiàn)在2922cm-1的位置。分子量測試：PBDTEDTT的分子量為22kDa，分散系數(shù)為PDI2.1。耐久性測試結(jié)果顯示利用PBDTEDTT制備的正型器件的開路電壓(Voc)和填充系數(shù)(FF)基本保持不變，而短路電流(J_(sc))和能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)的衰減系數(shù)也控制在17%之內(nèi)。 其次本文還采用Suzuki偶聯(lián)的方法利用催化劑Pd2(dba2)3、配體P(o-tyl)3和相轉(zhuǎn)移催化劑Aliquat336合成了聚異靛藍(lán)-乙撐二氧噻吩P(iI-EDOT)和聚異靛藍(lán)-乙撐二硫噻吩P(iI-EDTT)。P(iI-EDOT)和P(iI-EDTT)的5%質(zhì)量失重溫度分別為385oC和351oC。P(iI-EDOT)在溶液和薄膜中的最大吸收峰(λmax)分別出現(xiàn)在696nm和697nm；而P(iI-EDTT)在溶液和薄膜中的最大吸收峰(λmax)分別出現(xiàn)在612nm和626nm。P(iI-EDOT)的HOMO和LUMO能級分別為-4.97eV和-3.48eV；而P(iI-EDTT)的HOMO和LUMO能級分別為-5.28eV和-3.90eV。光伏性能測試結(jié)果顯示P(iI-EDOT)和P(iI-EDTT)的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)分別為0.35%和0.30%。P(iI-EDOT):PCBM (1:1)薄膜在退火前后Sq值分別為0.622nm和0.729nm；而P(iI-EDTT):PCBM (1:1)薄膜在退火前后Sq值分別為0.622nm和0.473nm。P(iI-EDOT)和P(iI-EDTT)的紅外分析表明苯環(huán)上的官能團(tuán)大致在1608-1693cm-1的位置、甲基和亞甲基出現(xiàn)在2922cm-1的位置。分子量測試結(jié)果表明，P(iI-EDOT)的分子量為20kDa；而P(iI-EDTT)的分子量為19kDa。耐久性測試結(jié)果表明利用聚合物P(iI-EDTT)制備的正型光伏器件具有良好的耐久性。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)聚合物 太陽能電池 苯并二噻吩 異靛藍(lán) 3 4-乙撐二氧噻吩 3 4-乙撐二硫噻吩
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 文獻(xiàn)綜述11-24
• 1.1 中國太陽能資源概述12-14
• 1.2 太陽能電池研究進(jìn)展14-17
• 1.2.1 太陽光譜14-15
• 1.2.2 太陽能電池的分類15-17
• 1.3 有機(jī)太陽能電池的工作原理17-21
• 1.3.1 有機(jī)太陽電池的發(fā)展概述17
• 1.3.2 有機(jī)太陽電池的結(jié)構(gòu)17-18
• 1.3.3 有機(jī)太陽電池的相關(guān)參數(shù)18-21
• 1.4 本研究的目的與意義21-23
• 1.5 本研究的主要內(nèi)容23-24
• 第二章 活性層物質(zhì) 1-聚苯并二噻吩類共軛聚合物的合成及性能表征24-52
• 2.1 試驗(yàn)部分24-30
• 2.1.1 主要試驗(yàn)試劑和藥品24
• 2.1.2 試驗(yàn)儀器24-25
• 2.1.3 目標(biāo)聚合物以及中間體的合成25-30
• 2.2 結(jié)果與討論30-51
• 2.2.1 材料的熱穩(wěn)定性30-31
• 2.2.2 材料的光學(xué)特性31-33
• 2.2.3 材料的電化學(xué)性質(zhì)33-35
• 2.2.4 材料的光伏性能35-42
• 2.2.5 器件表面形貌分析42-49
• 2.2.6 器件耐久性測試49-51
• 2.3 小結(jié)51-52
• 第三章 活性層物質(zhì) 2-聚異靛藍(lán)類共軛聚合物的合成及性能表征52-72
• 3.1 試驗(yàn)部分52-55
• 3.1.1 主要試驗(yàn)試劑和藥品52
• 3.1.2 試驗(yàn)儀器52
• 3.1.3 目標(biāo)聚合物以及中間體的合成52-55
• 3.2 結(jié)果與討論55-71
• 3.2.1 材料的熱穩(wěn)定性55-56
• 3.2.2 材料的光學(xué)特性56-58
• 3.2.3 材料的電化學(xué)性質(zhì)58-60
• 3.2.4 材料光伏性能60-61
• 3.2.5 器件表面形貌分析61-69
• 3.2.6 器件耐久性測試69-71
• 3.3 小結(jié)71-72
• 第四章 結(jié)論與展望72-74
• 4.1 結(jié)論72-73
• 4.2 展望73-74
• 參考文獻(xiàn)74-80
• 致謝80-82
• 作者簡介82

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