新型有机高分子太阳能电池制备的研究

【摘要】：体异质结聚合物太阳能电池(BHJ-PSCs)以其潜在的优势-成本低，重量轻，具有良好的灵活性和简单的制造方法，在最近几年引起了全球科学家的广泛关注。体异质结太阳能电池采用P型(或n型)有机半导体和电子受体材料(或者给体材料)制备。在各种具有光生伏打效应的供体-受体复合物中，聚(3-己基噻吩)(P3HT)和[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的混合物已被广泛的研究，因为基于这种复合材料的有机光生伏打电池具有重复性很好的能量转换效率(PCE)3-5％。尽管在过去的几年里，有机光生伏打电池的能量转换效率具有显着增加，甚至可以与其他太阳能电池技术进行有效的竞争，然而开发新型光电材料仍然是一个亟待解决的问题。 为了解决这些问题，本文设计并合成了两类新型共轭聚合物，将苯并二噻吩和异靛蓝分别与3,4-乙撑二氧噻吩和3,4-乙撑二硫噻吩分别进行聚合。并探讨其热稳定性、光学特性、电化学特性和光伏特性。具体如下： 首先本文采用Stille偶联的方法利用催化剂Pd2(dba2)3和配体P(o-tyl)3合成了聚苯并二噻吩-乙撑二氧噻吩P(BDT-EDOT)和聚苯并二噻吩-乙撑二硫噻吩P(BDT-EDTT)。PBDTEDOT和PBDTEDTT的5%质量失重温度分别为321oC和331oC。PBDTEDOT在溶液和薄膜中的最大吸收峰(λmax)分别出现在502nm和524nm；而PBDTEDTT在溶液和薄膜中的最大吸收峰(λmax)分别出现在494nm和537nm。与溶液吸收光谱相比，PBDTEDTT薄膜吸收光谱具有明显的红移，这一现象表明聚合物PBDTEDTT在薄膜状态下具有明显的分子主链之间的堆砌。PBDTEDOT的HOMO和LUMO能级分别为-4.98eV和-2.86eV；而聚合物PBDTEDTT的HOMO和LUMO能级分别为-5.18eV和-3.23eV。正型器件测试结果显示PBDTEDOT:PCBM(10mg/mL，1:1)的能量转化效率(PCE)为0.19%；而PBDTEDTT:PCBM共混比例为2:1时，在120oC温度下退火5min得到的光伏器件性能最好，其对应的开路电压(Voc)、短路电流(J_(sc))、填充系数(FF)和能量转化效率(PCE)分别为0.687V，6.616mA/cm2，52.79%和2.399%。PBDTEDOT的反型器件测试结果不如正型器件结果好。PBDTEDOT:PCBM(1:1)薄膜在退火前后Sq值分别为0.589nm和0.86nm；而PBDTEDTT:PCBM(2:1)薄膜在退火前后Sq值分别为0.438nm和0.589nm。PBDTEDTT的C–O单键大致在1047cm-1的位置、甲基和亚甲基出现在2922cm-1的位置。分子量测试：PBDTEDTT的分子量为22kDa，分散系数为PDI2.1。耐久性测试结果显示利用PBDTEDTT制备的正型器件的开路电压(Voc)和填充系数(FF)基本保持不变，而短路电流(J_(sc))和能量转化效率(PCE)的衰减系数也控制在17%之内。 其次本文还采用Suzuki偶联的方法利用催化剂Pd2(dba2)3、配体P(o-tyl)3和相转移催化剂Aliquat336合成了聚异靛蓝-乙撑二氧噻吩P(iI-EDOT)和聚异靛蓝-乙撑二硫噻吩P(iI-EDTT)。P(iI-EDOT)和P(iI-EDTT)的5%质量失重温度分别为385oC和351oC。P(iI-EDOT)在溶液和薄膜中的最大吸收峰(λmax)分别出现在696nm和697nm；而P(iI-EDTT)在溶液和薄膜中的最大吸收峰(λmax)分别出现在612nm和626nm。P(iI-EDOT)的HOMO和LUMO能级分别为-4.97eV和-3.48eV；而P(iI-EDTT)的HOMO和LUMO能级分别为-5.28eV和-3.90eV。光伏性能测试结果显示P(iI-EDOT)和P(iI-EDTT)的能量转化效率(PCE)分别为0.35%和0.30%。P(iI-EDOT):PCBM (1:1)薄膜在退火前后Sq值分别为0.622nm和0.729nm；而P(iI-EDTT):PCBM (1:1)薄膜在退火前后Sq值分别为0.622nm和0.473nm。P(iI-EDOT)和P(iI-EDTT)的红外分析表明苯环上的官能团大致在1608-1693cm-1的位置、甲基和亚甲基出现在2922cm-1的位置。分子量测试结果表明，P(iI-EDOT)的分子量为20kDa；而P(iI-EDTT)的分子量为19kDa。耐久性测试结果表明利用聚合物P(iI-EDTT)制备的正型光伏器件具有良好的耐久性。 【关键词】：有机聚合物 太阳能电池 苯并二噻吩 异靛蓝 3 4-乙撑二氧噻吩 3 4-乙撑二硫噻吩
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 文献综述11-24
• 1.1 中国太阳能资源概述12-14
• 1.2 太阳能电池研究进展14-17
• 1.2.1 太阳光谱14-15
• 1.2.2 太阳能电池的分类15-17
• 1.3 有机太阳能电池的工作原理17-21
• 1.3.1 有机太阳电池的发展概述17
• 1.3.2 有机太阳电池的结构17-18
• 1.3.3 有机太阳电池的相关参数18-21
• 1.4 本研究的目的与意义21-23
• 1.5 本研究的主要内容23-24
• 第二章 活性层物质 1-聚苯并二噻吩类共轭聚合物的合成及性能表征24-52
• 2.1 试验部分24-30
• 2.1.1 主要试验试剂和药品24
• 2.1.2 试验仪器24-25
• 2.1.3 目标聚合物以及中间体的合成25-30
• 2.2 结果与讨论30-51
• 2.2.1 材料的热稳定性30-31
• 2.2.2 材料的光学特性31-33
• 2.2.3 材料的电化学性质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 器件耐久性测试49-51
• 2.3 小结51-52
• 第三章 活性层物质 2-聚异靛蓝类共轭聚合物的合成及性能表征52-72
• 3.1 试验部分52-55
• 3.1.1 主要试验试剂和药品52
• 3.1.2 试验仪器52
• 3.1.3 目标聚合物以及中间体的合成52-55
• 3.2 结果与讨论55-71
• 3.2.1 材料的热稳定性55-56
• 3.2.2 材料的光学特性56-58
• 3.2.3 材料的电化学性质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 器件耐久性测试69-71
• 3.3 小结71-72
• 第四章 结论与展望72-74
• 4.1 结论72-73
• 4.2 展望73-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-82
• 作者简介82

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