利用飞秒瞬态时间分辨率吸收光谱对有机太阳能电池的光电转化机理研究

【摘要】：随着超短脉冲激光技术的日益趋于成熟,瞬态时间分辨率光谱技术得到快速发展。该技术主要用于测量物质在激光激发后产生的瞬态物种(激发态、自由基碎片等)的性质,使得其在物理和化学领域得到了广泛应用。太阳能作为一种清洁、可再生能源一直以来广泛受到人们的关注。有机太阳能电池因其低成本、质量轻、可制备在柔性衬底上等优点,已成为太阳能应用领域的研究热点。然而对于有机太阳能电池来说,电池中激子的产生、扩散、复合以及电极对载流子的收集等因素的影响,导致其与传统的无机太阳能电池相比能量转换效率(PCE)偏低。这成为了阻碍有机聚合物太阳能电池大规模商业生产的重要因素。因此,如何提高有机太阳能电池的光电转换效率成为当前有机太阳能电池领域的关键问题。本文围绕聚3-己基噻吩:富勒烯(P3HT:PCBM)的混合物薄膜使用飞秒瞬态时间分辨率吸收光谱展开研究,主要研究了电池中激子的解离,极化子的形成过程和使用荧光抑制剂对电池中激子解离和激化子形成的影响。主要研究内容及结论如下:(1)将poly(3-hexylthiophene)(P3HT)作为给体材料,使用飞秒瞬态时间分辨率吸收光谱对纯P3HT混合薄膜测试。结果表明:当P3HT吸收泵浦激光(400nm)后跃迁到激发态S4,形成单态激子(处于S4的单态激子的寿命T=2652.4fs)。同时得到这些激子通过非辐射跃迁(热弛豫)和辐射跃迁(荧光)衰减回基态的半衰期T=4394.89fs。(2)在P3HT中加入[6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PCBM),研究在混合薄膜中激子(P3HT*)的解离和极化子(P3HT+PCBM-)过程。结果表明,当加入PCBM后会形成CT(电荷传输)态,单态激子可以快速注入CT态从而增加激子的衰减途径(快过程T1=632.8fs,慢过程T2=2706.7fs),减少激子直接衰减回基态的数量。另外由于薄膜中PCBM和P3HT并不是均匀混合的,其薄膜中会出现P3HT结晶区、非结晶P3HT与结晶PCBM混合区、PCBM结晶区。正是因为这种形貌结构使得单态激子(P3HT*)的解离分为快过程(半衰期T为877.6fs)和慢过程(半衰期T为124661fs)。1)其中快过程是因为混合区P3HT吸收光后形成的激子无需迁移就可以直接在P3HT/PCBM接触面发生解离形成极化子。2)慢过程则是因为P3HT结晶区的P3HT吸收光后形成的激子需要先通过激子迁移到P3HT/PCBM接触面才能形成极化子(P3HT+PCBM-)。(3)研究荧光抑制剂1溴-4硝基苯(1-Bromo-4-Nitrobenzene)对以poly(3-hexylthiophene)(P3HT)为电子给体材料,[6,6]-phenyl C60-butyric acid methyl eater(PC60BM)为电子受体材料制备混合薄膜的影响。结果表明,在P3HT/PC60BM中加入1溴-4硝基苯后可以加快混合薄膜中激子注入CT态的速度(注入时间T从632.8fs减少到543.2fs)和其解离速度(特别是对激子解离的快过程(解离时间T从877.6fs减小到743.1fs))从而进一步抑制激子通过辐射荧光而引起的衰减,使更多的激子可以解离成极化子,从而提高电池光电转化效率。 【关键词】：有机太阳能电池 飞秒瞬态时间分辨率吸收光谱 单态激子 极化子 电荷转移配合物
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4;O433
【目录】：

• 中文摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 物质与能量的相互作用11-14
• 1.2.1 激发态的能级结构11-12
• 1.2.2 能量转移12-14
• 1.2.3 激发态的寿命14
• 1.3 飞秒瞬态时间分辨率吸收谱的原理14-20
• 1.3.1 透射和吸收14-15
• 1.3.2 飞秒时间分辨率瞬态吸收光谱原理15-19
• 1.3.3 飞秒时间分辨率瞬态吸收系统的结构和实现方法19-20
• 1.4 本文研究内容20-21
• 第2章 纯P3HT薄膜瞬态吸收光谱21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 实验介绍21-22
• 2.2.1 实验材料以及薄膜的检测21-22
• 2.2.2 测试器件制备22
• 2.3 实验结果22-26
• 2.3.1 纯P3HT的稳态吸收光谱和荧光光谱22-23
• 2.3.2 纯P3HT的瞬态吸收全光谱23-24
• 2.3.3 纯P3HT的瞬态吸收光谱24
• 2.3.4 纯P3HT的瞬态吸收峰的动力学过程24-26
• 2.4 结果讨论26-28
• 2.5 小结28-29
• 第3章 P3HT/PCBM混合薄膜中激子的解离和极化子形成的动力学过程29-41
• 3.1 引言29-30
• 3.2 实验介绍30-31
• 3.2.1 实验材料以及薄膜的检测30
• 3.2.2 测试器件制备30-31
• 3.3 实验结果31-36
• 3.3.1 P3HT/PCBM混合薄膜的稳态吸收光谱和荧光光谱31
• 3.3.2 P3HT/PCBM混合薄膜的瞬态吸收全谱图31-32
• 3.3.3 P3HT/PCBM混合薄膜的瞬态吸收光谱图32-33
• 3.3.4 P3HT/PCBM混合薄膜瞬态吸收峰衰减的动力学过程33-36
• 3.4 结果讨论36-39
• 3.5 小结39-41
• 第4章 加入荧光抑制剂对P3HT/PCBM混合薄膜的影响41-52
• 4.1 引言41-42
• 4.2 实验介绍42-43
• 4.2.1 实验材料以及薄膜的检测42
• 4.2.2 测试器件制备42-43
• 4.3 实验结果43-49
• 4.3.1 加入不同比例的1溴-4 硝基苯后P3HT/PCBM的荧光光谱43-44
• 4.3.2 加入不同比例的1溴-4 硝基苯对P3HT/PCBM混合薄膜的瞬态吸收光谱图44
• 4.3.3 加入不同比例的1溴-4 硝基苯对P3HT/PCBM混合薄膜的瞬态吸收峰的动力学过程44-49
• 4.4 结果讨论49-51
• 4.5 小结51-52
• 结束语52-53
• 参考文献53-59
• 致谢59-60
• 攻读学位期间取得的科研成果60

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