有机/聚合物太阳能电池材料的合成与性能研究

【摘要】：近几年来,将聚合物给体与富勒烯衍生物受体共混制备的体异质结有机太阳能电池引起了人们的广泛兴趣。有机太阳能电池是一类容易制备、结构简单、成本低、重量轻、灵活的电池设备。虽然目前有机太阳能电池的效率已经达到了9%,但这一数值离商业化还有一定的距离。因此,提高光电转换效率成为有机太阳能电池领域的重点。而寻找高效的给体材料和受体材料成为目前主要的研究方向。 本论文的第一章简要介绍了有机太阳能电池的发展现状、作用机理以及影响因素。并从材料本身的特性以及活性型形貌方面介绍了影响有机太阳能电池光电转换效率的因素。重点强调了体异质结结构中给体材料的能级调变对有机太阳能电池光伏性能的影响。 第二章以苯[1,2-b；3,4-b]并二噻吩和咔唑给体单元为聚合物的主链,以苯环为π桥,在侧链上接枝不同受电子能力的氰基、醛基和硝基基团。并对相应聚合物PBDT-CzBCN, PBDT-CzBCHO和PBDT-CzBNO2的光学、电学以及光伏特性进行了测试与比较。山于三个聚合物的受体基团的吸电子能力不同,使得其在LUMO(?)级以及吸光范围上有一定的差异。三个聚合物的吸光范围以及LUMO能级(绝对值)按从大到小的顺序排列均为：PBDT-CzBNO2PBDT-CzBCNPBDT-CzBCHO,这与三个吸电子基团的受体能力的大小是相匹配的。但是吸光范围最大的PBDT-CzBNO2聚合物的效率却不及PBDT-CzBCN,这是由于PBDT-CzBNO2较小的吸收系数造成的。PBDT-CzBCN, PBDT-CzBCHO和PBDT-CzBNO2的光电转换效率分别为：0.44%、0.0018%和0.23%。 第三章设计合成了以硅桥、氮桥联噻吩为给体,吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二酮为受体的低带隙D-A型共轭高分子PDTS-DTPP和PDTP-DTPP。两个高分子的薄膜紫外吸收到达近红外区域。PDTS-DTPP不flPDTP-DTPP的设计成功地降低了聚合物的带隙,使得其吸收范围更大程度上的与太阳发射光谱所匹配,从而有利于光电流的形成。但是高分子的光伏特性表明,高分子的光电转换效率均小于1%。这是由于在降低带隙的同时,对高分子的LUMO以及HOMO能级也产生了影响,进而影响器件的Voc。和Jsc。对于PDTP-DTPP而言,较低的LUMO能级是影响其光电转换效率的主要原因。 第四章设计合成了一个以苯并二噻吩为核的九稠环的共轭小分子化合物c。经溶液自组装后,c可形成一个宽度在300nm到1μm,长度在几十到几百微米的纳米带结构。对该结构的OFET性能进行测试,其迁移率可以达到0.05cm2V-s-1,开关比为104,开启电压为-10V。其迁移率是同等条件下旋转涂抹器件的1000倍。基于其较高的迁移率,在接下来的工作中我们考虑尝试用化合物c取代体异质结太阳能电池中的受体材料PCBM进行测试,并进行进一步的研究。 【关键词】：有机太阳能电池 D-A型高分子 溶液自组装 纳米带
【学位授予单位】：华东理工大学
【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1章 绪论11-28
• 1.1 有机/聚合物太阳能电池的作用机理11-14
• 1.1.1 I/V特性12-13
• 1.1.2 体异质结聚合物太阳能电池的作用机理13-14
• 1.2 材料特性对电池性能的影响14-25
• 1.2.1 吸光范围、吸收系数对电池性能的影响14-23
• 1.2.2 形貌对电池性能的影响23-25
• 1.3 串联有机太阳能电池25-26
• 1.4 课题的提出与重点26-28
• 第2章 主链为给体,侧链为受体的D-π-A型共轭聚合物的合成和光伏性能的研究28-43
• 2.1 实验部分29-34
• 2.1.1 实验仪器29
• 2.1.2 合成部分29-34
• 2.2 结果与讨论34-42
• 2.2.1 紫外-可见吸收光谱34-36
• 2.2.2 荧光光谱36-37
• 2.2.3 热分析37-38
• 2.2.4 电化学性能38-39
• 2.2.5 光伏特性39-42
• 2.3 结论42-43
• 第3章 吸收在近红外区域的聚合物的合成和光伏性能的研究43-58
• 3.1 实验部分44-50
• 3.1.1 实验仪器44
• 3.1.2 合成部分44-50
• 3.2 结果与讨论50-56
• 3.2.1 紫外-可见吸收光谱50-51
• 3.2.2 荧光光谱51-52
• 3.2.3 电化学性能52-55
• 3.2.4 热分析55
• 3.2.5 光伏特性55-56
• 3.3 结论56-58
• 第4章 以BDT为核的稠环大分子的合成、自组装及场效应晶体管效应58-69
• 4.1 合成路线与合成步骤58-62
• 4.1.1 实验仪器58-59
• 4.1.2 纳米带结构FET器件的制备方法59
• 4.1.3 化合物c的合成59-62
• 4.2 结果与讨论62-67
• 4.2.1 光学及电学性质的表征62-63
• 4.2.2 化合物热力学性能的表征63-64
• 4.2.3 纳米结构的制备与表征64-66
• 4.2.4 迁移率的表征66-67
• 4.3 结论67-69
• 结论69-70
• 参考文献70-79
• 附录：论文中的缩写79-80
• 附录：攻读硕士学位期间发表论文目录80-81
• 附录：攻读硕士学位期间获奖情况81-82
• 致谢82-83

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