基于稠環(huán)D-A共軛聚合物光伏性能的研究

【摘要】：本論文概述了聚合物太陽能電池(PSCs)的發(fā)展?fàn)顩r。目前,與無機(jī)太陽能電池相比,其光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)較低。應(yīng)用高性能的聚合物光伏材料是提高PSCs的PCE的主要策略。稠環(huán)D-A(Donor-Acceptor)共軛聚合物在PSCs中的優(yōu)越性在于其具有拓展的共軛體系,有利于π-電子沿聚合物骨架離域,降低帶隙和提高光吸收能力。此外,稠環(huán)D-A共軛聚合物的剛性平面結(jié)構(gòu)有助于分子鏈在固態(tài)膜條件下進(jìn)行π-π共面堆積,改善電荷遷移率。目前,關(guān)于稠環(huán)D-A共軛聚合物在PSCs應(yīng)用的相關(guān)報道還很少且取得的PCE也不高。 本文通過熱失重分析、循環(huán)伏安分析法和紫外-可見吸收光譜分別考察了三個系列新型含氮稠環(huán)D-A共軛共聚合物分子結(jié)構(gòu)對其熱穩(wěn)定性、電化學(xué)性能和光學(xué)性能的影響。稠環(huán)D-A共軛共聚合物作為給體材料與PC7,BM制備本體異質(zhì)結(jié)PSCs,研究了給體與受體組分比例、添加劑、活性層厚度、載流子遷移率以及活性層形貌對稠環(huán)D-A共軛共聚合物光伏性能的影響。本論文的具體研究內(nèi)容及結(jié)果如下： (1)采用主鏈為五元稠環(huán)噻吩[2',3'：5,6]吡啶并[3,4-g]噻吩[3,2-c]異喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(TPTI)受體單元和噻吩給體單元的新型含氮D-A共軛共聚合物聚噻吩-噻吩[2',3'：5,6]吡啶并[3,4-g]噻吩[3,2-c]異喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(PThTPTI)作為PSCs的給體材料。它的5%熱失重溫度可達(dá)434℃,具有較好的熱穩(wěn)定性能,能夠達(dá)到PSCs的使用要求。該聚合物氯仿溶液和薄膜最大光譜吸收峰分別為583、623nm,同時具有較寬的吸收光譜,薄膜吸收起峰點(diǎn)為666nm,這也導(dǎo)致其適中的1.86eV光學(xué)帶隙。另外,電化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)PThTPTI具有低的最高占有分子軌道(HOMO)為-5.42eV,賦予電池高的開路電壓(Voc)?；瘜W(xué)添加劑(DIO)能有效提高電池的光伏性能。最佳正式電池器件具有0.92V的開路電壓(Voc)、12.47mA/cm2的電流密度(Jsc),62.8%的填充因子(FF)和7.21%的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。反式電池ITO/ZnO/PThTPTI:PC71BM/MoO3/Ag具有更好的光伏性能,即Jsc=13.69mA/cm2,FF=65.6%和最佳PCE=7.80%。反式電池在氮?dú)庵蟹胖瞄L達(dá)333h后,其效率仍具有原來PCE的90%。從XRD衍射結(jié)果可以判斷出PThTPTI為部分結(jié)晶行材料,這也是空穴遷移率高達(dá)1.4×10-3cm-ZV-1s-1的原因。 (2)研究了含五元稠環(huán)TPTI與苯并二噻吩(BDT)衍生物或二噻吩并噻咯(DTS)衍生物共軛結(jié)構(gòu)單元的新型稠環(huán)D-A高聚物(P1、P2、P3和P4)的電化學(xué)性能、吸光特性以及光伏性能。它們的5%熱失重溫度均達(dá)300℃以上,顯示良好的熱穩(wěn)定性能。四個分子均具有低于-5.30eV的HOMO能級,使得電池輸出高的Voc。TITP的側(cè)鏈和BDT或DTS單元造就了P1與P2,P3和P4不同物理化學(xué)性能及相應(yīng)的電池特性?；赑1:PC71BM混合異質(zhì)節(jié)太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)可達(dá)5.30%。 (3)研究了基于四元稠環(huán)受體單元的D-A共軛聚合物光伏材料,聚{1,3-二(4'-己基噻吩基)-9H-茚并[1,2-b]噻吩[3,4-e]對二雜氮苯-9-酮-4,4-二(2-乙基己基)-4H-噻咯[3,2-b：4,5-b,]二噻吩}(P5)的熱穩(wěn)定性能、光吸收特性、電化學(xué)性能以及在PSCs上的應(yīng)用。其光譜吸收范圍達(dá)到1100nm,帶隙低至1.12eV。PSCs器件的PCE達(dá)1.93%以及在EQE的響應(yīng)范圍達(dá)到了1020nm。 【關(guān)鍵詞】：稠環(huán)D-A共軛聚合物 HOMO能級 光吸收 聚合物太陽能電池 光伏性能
【學(xué)位授予單位】：海南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O631.3;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-28
• 1.1 前言10-12
• 1.2 光電轉(zhuǎn)換原理12-13
• 1.3 聚合物太陽能電池(PSCs)的器件結(jié)構(gòu)13-15
• 1.3.1 本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池14-15
• 1.3.2 反式太陽能電池15
• 1.3.3 疊層太陽能電池15
• 1.4 有機(jī)聚合物太陽能電池特性和影響因素15-17
• 1.5 活性層形貌結(jié)構(gòu)對電池性能的影響17-18
• 1.6 共軛聚合物光伏材料的發(fā)展18-26
• 1.6.1 基于聚噻吩和主鏈含噻吩聚合物材料19-21
• 1.6.2 基于苯并二噻吩(BDT)D-A聚合物給體材料21-22
• 1.6.3 基于二噻吩并噻咯(DTS)D-A聚合物給體材料22-24
• 1.6.4 基于其他多環(huán)共軛聚合物24-26
• 1.7 本文的研究目的、創(chuàng)新之處和意義26-28
• 1.7.1 研究目的和意義26-27
• 1.7.2 創(chuàng)新之處27-28
• 2 材料與方法28-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原材料28
• 2.2 儀器與設(shè)備28
• 2.3 正式電池制備過程28-29
• 2.3.1 聚合物與PC_(71)BM共混溶液配制28-29
• 2.3.2 電池基底清洗與PEDOT：PSS膜和氧化鋅膜旋涂29
• 2.3.3 電池活性層制備29
• 2.3.4 電極蒸鍍29
• 2.4 反式器件制備29
• 2.5 電子、空穴遷移率器件制備29-30
• 2.6 測試方法30-32
• 2.6.1 電化學(xué)分析30
• 2.6.2 紫外可見吸收測試30
• 2.6.3 分子量測試和熱分析(TGA)30
• 2.6.4 電池J-V和EQE測試30
• 2.6.5 形貌測試30-31
• 2.6.6 膜厚測試31
• 2.6.7 電子、空穴遷移率測試31-32
• 3 結(jié)果與分析32-63
• 3.1 五元稠環(huán)二內(nèi)酰胺受體單元D-A共軛聚合物PThTPTI光伏性能的研究32-46
• 3.1.1 PThTPTI的分子量與耐熱性能32-33
• 3.1.2 PThTPTI的循環(huán)伏安特性33-34
• 3.1.3 PThTPTI的紫外-可見吸收特性34-35
• 3.1.4 PThTPTI：PC_(71)BM有機(jī)太陽能電池光伏性能35-41
• 3.1.5 載流子遷移率分析41-43
• 3.1.6 PThTPTI：PC_(71)BM共混膜形貌分析43-44
• 3.1.7 反式PThTPTI：PC_(71)BM本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的穩(wěn)定性分析44-46
• 3.2 具有低HOMO能級新型稠環(huán)D-A共軛聚合物(P1-P4)光伏性能的研究46-57
• 3.2.1 P1-P4的循環(huán)伏安特性48-49
• 3.2.2 P1-P4的紫外-可見吸收特性49-50
• 3.2.3 聚合物：PC_(71)BM有機(jī)太陽能電池光伏性能50-53
• 3.2.4 載流子遷移率分析53-55
• 3.2.5 P1-P4：PC_(71)BM共混膜形貌55-57
• 3.3 基于四元環(huán)稠環(huán)受體單元的D-A共軛聚合物(P5)光伏性能的研究57-63
• 3.3.1 P5的電化學(xué)性能與吸收光譜58-59
• 3.3.2 基于P5：PC_(71)BM的有機(jī)太陽能電池光伏性能59-60
• 3.3.3 載流子遷移率與形貌分析60-63
• 4 討論63-64
• 5 結(jié)論64-65
• 參考文獻(xiàn)65-75
• 攻讀碩士研究生期間獲得的成果75-76
• 致謝76

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