新型窄帶隙聚合物太陽能電池材料的合成及性能研究

【摘要】：有機(jī)光伏技術(shù)為太陽能的有效利用提供了一條重要途徑。憑借著其制造成本低廉、材料質(zhì)量輕、加工性能好,易于攜帶等優(yōu)勢而備受關(guān)注。提高有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是目前乃至未來的研究重點(diǎn)。設(shè)計(jì)和合成適合的窄帶隙(LBG)的共軛聚合物是提高有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的核心。本論文主要圍繞給體(D)-受體(A)型共軛聚合物材料的設(shè)計(jì)、合成以及光電性能研究,以期望獲得高效的LBG共軛聚合物。主要內(nèi)容如下： 1.設(shè)計(jì)合成了一系列基于環(huán)戊并二噻吩(CPDT)單元的D-A型LBG共軛聚合物,研究了氟原子及側(cè)鏈對聚合物光電性質(zhì)的影響。聚合物在可見及近紅外區(qū)域內(nèi)都表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸光能力,能帶間隙均小于1.5eV。由于氟原子的缺電子性質(zhì)以及側(cè)鏈的不同構(gòu)型,導(dǎo)致聚合物在固體狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的排列方式,其中聚[2,6-(4,4-雙(2-乙基己基)-4氫-環(huán)戊[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-交-4,7(單氟-2,1,3-苯并噻二唑)]EH-FBT的π-π堆砌距離僅為是3.8A,空穴遷移率為0.014cm2V-1s"1。基于PCPDTFBT的異質(zhì)結(jié)(BHJ)太陽能電池器件經(jīng)過性能優(yōu)化后光電轉(zhuǎn)化率(PCE)達(dá)到6.6%,短路電流為14.3mA/cm2。將其進(jìn)一步應(yīng)用到雙結(jié)(異質(zhì)結(jié))電池中,PCE高達(dá)8.2%。 2.設(shè)計(jì)合成了一個十一元共軛稠環(huán)化合物(IDTCPDT),該化合物表現(xiàn)出強(qiáng)的給電子能力,高的摩爾消光系數(shù),好的剛性平面結(jié)構(gòu)以及低的重組能?；谠摻o體單元,合成了窄帶隙聚合物PIDTCPDT-DFBT,該聚合物擁有很強(qiáng)的吸光能力,很好的平面性,熒光壽命為1.52ns。理論計(jì)算得到的重組能只有3.2kcal/mol?；谠摼酆衔锏膱鲂?yīng)晶體管空穴傳輸能力可達(dá)2.4×10-2cm2V-1s-1。將該聚合物作為給體材料制作成為太陽能電池器件時,PCE為6.5%,短路電流為14.6mA/cm2,是目前已報(bào)道的基于階梯型聚合物太陽能電池的最高值。 3.采用微波輔助Stille偶聯(lián)設(shè)計(jì)并合成了三個基于吡咯并吡咯二酮(DPP)的二維共軛聚合物。由于DPP的較強(qiáng)缺電子特性,得到的三個聚合物都表現(xiàn)出極窄的能帶間隙,分別為1.50,1.48和1.43eV,可以與太陽光譜很好的匹配。再者,DPP骨架出色的平面性以及其形成氫鍵的能力使得三個共聚物都具有較強(qiáng)的π-π堆砌能力。電化學(xué)測試表明,增加側(cè)鏈的共軛長度可以有效的降低HOMO能級,提高聚合物電池的開路電壓。值得注意的是活性層的形貌對激子的解離和擴(kuò)散是非常重要的。當(dāng)使用純鄰二氯苯作溶劑制備活性層時,聚合物與PC71BM之間形成尺寸較大的團(tuán)聚體。當(dāng)使用共混溶劑時(如氯仿和鄰二氯苯)團(tuán)聚現(xiàn)象消失,聚合物和(6,6)-苯基C71丁酸甲基酯(PC71BM)之間形成網(wǎng)狀納米纖維,極大的改善了聚合物與PC71BM之間的相互聚集,提高了激子的有效分離幾率,器件的光電轉(zhuǎn)化效率從原來的0.24%提高到4.47%。優(yōu)化后的器件PCE最高達(dá)到了5.34%。 4.設(shè)計(jì)合成了苯并硒二唑衍生物單氟-2,1,3-苯并硒二唑(FBSe),增加了苯并硒二唑的吸電子能力并且降低了HOMO能級。并以FBSe為受體單元共聚得到聚合物PBDT-FBSe和PIDT-FBSe。兩個聚合物都擁有較小的能帶間隙分別只有1.60和1.58eV。其次,這兩個聚合物具有良好的堆積作用,其薄膜紫外吸收較溶液吸收,發(fā)生了明顯的紅移。此外,PBDT-FBSe和PIDT-FBSe表現(xiàn)出較低的HOMO能級,這有利于在光伏器件中獲得較高的開路電壓。這兩個聚合物的場效應(yīng)晶體管空穴傳輸能力分別為1.1×10-4和3.0×10-3cm2V-1s-1。作為給體材料,BHJ太陽能電池的PCE分別達(dá)到5.00%和4.65%。 5.設(shè)計(jì)并合成了以氟代喹喔啉為受體單元的窄帶隙聚合物PCPDT-DFPhQ, PCPDT-DFPhQ-M和PCPDT-DFPhQ-O,這些聚合物都具有很好的溶解性,能溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑中。當(dāng)引入烷氧基側(cè)鏈時,聚合物PCPDT-DFPQ-O的HOMO能級顯著升高。原子力顯微鏡結(jié)果表明較長的烷氧基側(cè)鏈會引起聚合物空間位阻的增加,與PC71BM之間會形成尺寸較大的團(tuán)聚體,影響激子的分離和擴(kuò)散。因此,基于PCPDT-DFPhQ-O的太陽能電池器件,僅取得0.94%的PCE。其中短路電流只有2.52mA/cm2。相反,基于PCPDT-DFPhQ的電池獲得最大PCE為5.30%,開路電壓達(dá)到了0.83V,短路電流提升到12.05mA/cm2。 6.設(shè)計(jì)并合成了兩個D-A1-D-A2型共軛聚合物PCPDT-DFBT-TPD和PCPDT-DFBT-DPP。這兩個聚合物都擁有較小的能帶間隙,較低的HOMO能級。此外PCPDT-DFBT-TPD和PCPDT-DFBT-DPP都能溶于絕大多數(shù)有機(jī)溶劑。而基于PCPDT-DFBT-TPD和PCPDT-DFBT-DPP的BHJ太陽能電池器件的PCE分別達(dá)到了3.15%以及3.11%。 7.系統(tǒng)總結(jié)了第二章至第七章的主要研究結(jié)果。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)太陽能電池 共軛聚合物材料 窄帶隙聚合物 拉/推電子基
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 聚合物太陽能電池材料研究進(jìn)展13-50
• 1.1 引言13-15
• 1.2 有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽能電池的基本特征15-18
• 1.2.1 器件構(gòu)型15-16
• 1.2.2 光電轉(zhuǎn)化機(jī)制16-17
• 1.2.3 有機(jī)太陽能電池的主要參數(shù)17-18
• 1.3 聚合物太陽能電池材料的設(shè)計(jì)與合成18-34
• 1.3.1 聚合物太陽能電池材料的發(fā)展歷程18-21
• 1.3.2 聚合物太陽能電池材料的設(shè)計(jì)與研究21-34
• 1.4 聚合物太陽能電池的發(fā)展前景及課題提出34-39
• 1.5 課題創(chuàng)新點(diǎn)39-41
• 參考文獻(xiàn)41-50
• 第二章 含環(huán)戊并二噻吩高分子的合成及太陽能電池性能研究50-70
• 2.1 引言50-51
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分51-57
• 2.2.1 試劑51
• 2.2.2 分析測試與儀器51
• 2.2.3 器件的制作51
• 2.2.4 器件的測試51-52
• 2.2.5 合成部分52-57
• 2.3 結(jié)果與討論57-65
• 2.3.1 合成與表征57-58
• 2.3.2 光學(xué)性能58-59
• 2.3.3 電化學(xué)性能59-60
• 2.3.4 堆砌性能60-61
• 2.3.5 電荷傳輸性能61-62
• 2.3.6 太陽能電池性能62-65
• 2.4 本章小結(jié)65
• 2.5 參考文獻(xiàn)65-70
• 第三章 基于新型十一元共軛稠環(huán)的窄帶隙聚合物的電荷傳輸及光伏性能研究70-91
• 3.1 引言70-71
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分71-78
• 3.2.1 試劑71
• 3.2.2 分析測試與儀器71-72
• 3.2.3 器件的制作72
• 3.2.4 器件的測試72
• 3.2.5 合成部分72-78
• 3.3 結(jié)果與討論78-85
• 3.3.1 合成與表征78
• 3.3.2 光學(xué)性能78-79
• 3.3.3 電化學(xué)性能79-80
• 3.3.4 理論計(jì)算80-81
• 3.3.5 熒光壽命81-82
• 3.3.6 重組能的理論計(jì)算82
• 3.3.7 電荷傳輸性能82-84
• 3.3.8 有機(jī)太陽能電池性能84-85
• 3.4 小結(jié)85-87
• 3.5 參考文獻(xiàn)87-91
• 第四章 基于吡咯并吡咯二酮聚合物的合成及光伏性能研究91-112
• 4.1 引言91
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分91-97
• 4.2.1 試劑91-92
• 4.2.2 分析測試與儀器92
• 4.2.3 器件的制作92
• 4.2.4 器件的測試92-93
• 4.2.5 合成部分93-97
• 4.3 結(jié)果與討論97-106
• 4.3.1 合成與表征97-98
• 4.3.2 光學(xué)性能98-99
• 4.3.3 理論計(jì)算99-100
• 4.3.4 電化學(xué)性能100-101
• 4.3.5 電荷傳輸性能101-103
• 4.3.6 太陽能電池性能103-104
• 4.3.7 活性層形貌的影響104-106
• 4.4 本章小結(jié)106-108
• 4.5 參考文獻(xiàn)108-112
• 第五章 基于單氟取代的苯并硒二唑窄帶隙聚合物的設(shè)計(jì)與光伏性研究112-126
• 5.1 引言112-113
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分113-117
• 5.2.1 試劑113
• 5.2.2 分析測試與儀器113
• 5.2.3 器件的制作113-114
• 5.2.4 器件的測試114
• 5.2.5 合成部分114-117
• 5.3 結(jié)果與討論117-122
• 5.3.1 合成與表征117
• 5.3.2 光學(xué)性能117-118
• 5.3.3 電化學(xué)性能118-119
• 5.3.4 電荷傳輸性能119-120
• 5.3.5 太陽能電池性能120-122
• 5.4 本章小結(jié)122-123
• 5.5 參考文獻(xiàn)123-126
• 第六章 基于氟代喹喔啉窄帶隙聚合物的合成及光伏性能研究126-143
• 6.1 引言126-127
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分127-130
• 6.2.1 試劑127
• 6.2.2 分析測試與儀器127
• 6.2.3 器件的制作127-128
• 6.2.4 器件的測試128
• 6.2.5 合成部分128-130
• 6.3 結(jié)果與討論130-137
• 6.3.1 合成與表征130
• 6.3.2 光學(xué)性能130-132
• 6.3.3 電化學(xué)性能132-133
• 6.3.4 理論計(jì)算133-134
• 6.3.5 電荷傳輸性能134-135
• 6.3.6 太陽能電池性能135-137
• 6.4 本章小結(jié)137-139
• 6.5 參考文獻(xiàn)139-143
• 第七章 基于D-A_1-D-A_2型共軛高分子的光伏性能研究143-155
• 7.1 引言143-144
• 7.2 實(shí)驗(yàn)部分144-148
• 7.2.1 試劑144
• 7.2.2 分析測試與儀器144
• 7.2.3 器件的制作144
• 7.2.4 器件的測試144-145
• 7.2.5 合成部分145-148
• 7.3 結(jié)果與討論148-152
• 7.3.1 合成與表征148
• 7.3.2 光學(xué)性能148-149
• 7.3.3 電化學(xué)性能149-150
• 7.3.4 理論計(jì)算150-151
• 7.3.5 太陽能電池性能151-152
• 7.4 本章小結(jié)152-153
• 7.5 參考文獻(xiàn)153-155
• 第八章 總結(jié)與展望155-159
• 8.1 總結(jié)155-157
• 8.2 展望157-159
• 致謝159-161
• 附錄(Ⅰ)161-163
• 附錄(Ⅱ)163-166
• 附錄(Ⅲ)166

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