水溶性光电材料的分子设计及聚合物杂化光伏器件

【摘要】：随着人类社会的飞速发展，能源和环境成为人们目前面临的两大问题，人们对于不可再生资源的过度消耗导致生态失衡。因此，人们开始关注开发可再生资源，在此，太阳能电池应运而生。传统的硅太阳能电池由于生产工艺过于复杂而造价太高；而近几十年兴起的有机太阳能电池在溶液操作过程中会用到高毒性的氯仿、氯苯等有机溶剂，对环境造成了污染。我们的目标是希望能够通过清洁环保的过程制备清洁的能源—通过水相操作的过程制备太阳能电池器件。 首先，我们在水溶性的光电材料中选择了聚合物/量子点杂化的体系，通过Wessling聚合合成了水溶性的共轭聚合物PPV，在引入PVA后有效地提高了PPV的荧光量子效率。随后引入不同尺寸和不同浓度的CdTe量子点，有效地调节了杂化体系的发光颜色，获得在可见光范围内的全色发光材料。我们还发现量子点可以有效地降低聚合物的荧光寿命，初步验证了水溶性聚合物向水相量子点的电荷转移过程。随后我们对量子点进行表面修饰，调控了量子点的能级结构，制备的平面异质结太阳能电池展示出较好的光伏效果，有效地证明了水溶性聚合物向量子点的电荷转移。 其次，我们尝试了利用一步法，通过水相操作的过程制备PPV/CdTe体相异质结太阳能电池。通过优化给受体比例和完善器件的界面修饰成功地制备了可以水相操作的杂化光伏器件，效率达到2.14%。随后，我们通过在量子点中引入Hg元素，将CdTe的吸收从可见区拓宽到了近红外区域。制备的具有近红外吸收的、可以水相操作的PPV/CdxHg1-xTe杂化光伏器件，效率达到了1.5%，其中800nm至1000nm的近红外光对光电流的贡献超过了11.4%，达到了国际领先水平。 最终，我们设计合成了新型的水溶性共轭聚合物PBTPV和PWTV，通过氯甲基化反应和Wessling聚合反应制备的聚合物前驱体具有较以往水溶性聚合物更加优异的光学吸收、成膜性和载流子迁移率等。同时，我们也在聚合物链中引入了特殊的官能团结构，在聚合物和量子点之间构筑了有效的相互作用力，获得了优质的活性层薄膜，器件的光电转化效率最终达到了4.1%。 【关键词】：水溶性聚合物 量子点 环境友好 太阳能电池 场效应晶体管 光检测器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O631.3
【目录】：

• 提要5-10
• 第一章 绪论10-39
• 第一节 水相操作方法制备的太阳能电池的研究发展历程11-16
• 1.1.1 水相操作的聚合物太阳能电池11-12
• 1.1.2 水相操作的量子点敏化太阳能电池12-14
• 1.1.3 水相操作的聚合物/量子点杂化太阳能电池14-16
• 第二节 聚合物/量子点杂化太阳能电池简介16-20
• 1.2.1 聚合物/量子点杂化太阳能电池的工作原理16
• 1.2.2 聚合物/量子点杂化太阳能电池的器件结构16-18
• 1.2.3 聚合物/量子点杂化太阳能电池的性能表征18-20
• 第三节 聚合物/量子点杂化光伏器件性能的影响因素和优化20-27
• 1.3.1 水溶性聚合物材料的设计与合成20-21
• 1.3.2 量子点的制备21-23
• 1.3.3 杂化电池活性层形貌的控制23-27
• 第四节 本论文的设计思想与研究内容27-28
• 参考文献28-39
• 第二章 聚合物向量子点的电荷转移及能级调控39-56
• 第一节 引言39-41
• 第二节 水溶性 PPV 聚合物和 CdTe 量子点的杂化及能量转移41-46
• 2.2.1 实验部分41-42
• 2.2.1.1 实验原料41
• 2.2.1.2 表征仪器41
• 2.2.1.3 合成方法41-42
• 2.2.2 结果与讨论42-46
• 2.2.2.1 PPV 前驱体的荧光性质42
• 2.2.2.2 PVA/PPV 前驱体复合物的荧光性质42-43
• 2.2.2.3 聚合物/量子点杂化材料的荧光性质及能量转移43-46
• 第三节 CdHgTe 量子点的能级调控及其在杂化电池中应用46-52
• 2.3.1 实验部分46-47
• 2.3.1.1 实验原料46
• 2.3.1.2 表征仪器46
• 2.3.1.3 合成方法46-47
• 2.3.2 结果与讨论47-52
• 2.3.2.1 CdHgTe 量子点的能级调控47-49
• 2.3.2.2 PPV/CdHgTe 平面异质结太阳能电池器件49-52
• 第四节 本章小结52-53
• 参考文献53-56
• 第三章 基于 PPV 聚合物的水相操作过程的杂化光伏器件56-80
• 第一节 引言56-58
• 第二节 水相操作的 PPV/CdTe 杂化太阳能电池58-67
• 3.2.1 实验部分58-59
• 3.2.1.1 实验原料58
• 3.2.1.2 表征仪器58
• 3.2.1.3 合成方法58-59
• 3.2.2 结果与讨论59-67
• 3.2.2.1 聚合物向量子点的电荷转移59-60
• 3.2.2.2 PPV/CdTe 杂化太阳能电池60-62
• 3.2.2.3 太阳能电池器件的优化62-67
• 第三节 近红外吸收的 PPV/Cd_xHg_(1-x)Te 杂化太阳能电池67-76
• 3.3.1 实验部分67-68
• 3.3.1.1 实验原料67
• 3.3.1.2 表征仪器67
• 3.3.1.3 合成方法67-68
• 3.3.2 结果与讨论68-76
• 3.3.2.1 具有近红外吸收的水溶性光电材料68-70
• 3.3.2.2 退火对量子点表面配体的影响70-72
• 3.3.2.3 退火对量子点载流子迁移率的影响72-74
• 3.3.2.4 太阳能电池器件的优化74-76
• 第四节 本章小结76-77
• 参考文献77-80
• 第四章 基于新型水溶性共轭聚合物的杂化太阳能电池器件80-115
• 第一节 引言80-82
• 第二节 水相合成 PBTPV 及其在杂化太阳能电池中应用82-95
• 4.2.1 实验部分82-84
• 4.2.1.1 实验原料82
• 4.2.1.2 表征仪器82
• 4.2.1.3 合成方法82-84
• 4.2.2 结果与讨论84-95
• 4.2.2.1 PBTPV 的设计合成与基本性质84-87
• 4.2.2.2 基于 PBTPV 的场效应晶体管87-90
• 4.2.2.3 水相操作的 PBTPV/CdTe 太阳能电池器件90-95
• 第三节 水相合成 PWTV 及其在光电器件中的应用95-110
• 4.3.1 实验部分95-96
• 4.3.1.1 实验原料95
• 4.3.1.2 表征仪器95
• 4.3.1.3 合成方法95-96
• 4.3.2 结果与讨论96-110
• 4.3.2.1 PWTV 的设计合成与基本性质96-103
• 4.3.2.2 PWTV/CdTe 之间的相互作用103-106
• 4.3.2.3 PWTV/CdTe 杂化材料的光电器件106-110
• 第四节 本章小结110-111
• 参考文献111-115
• 致谢115-117
• 作者简历117-118
• 攻读博士学位期间发表论文118-122
• 中文摘要122-124
• Abstract124-126

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