基于稠环D-A共轭聚合物光伏性能的研究

【摘要】：本论文概述了聚合物太阳能电池(PSCs)的发展状况。目前,与无机太阳能电池相比,其光电转换效率(PCE)较低。应用高性能的聚合物光伏材料是提高PSCs的PCE的主要策略。稠环D-A(Donor-Acceptor)共轭聚合物在PSCs中的优越性在于其具有拓展的共轭体系,有利于π-电子沿聚合物骨架离域,降低带隙和提高光吸收能力。此外,稠环D-A共轭聚合物的刚性平面结构有助于分子链在固态膜条件下进行π-π共面堆积,改善电荷迁移率。目前,关于稠环D-A共轭聚合物在PSCs应用的相关报道还很少且取得的PCE也不高。 本文通过热失重分析、循环伏安分析法和紫外-可见吸收光谱分别考察了三个系列新型含氮稠环D-A共轭共聚合物分子结构对其热稳定性、电化学性能和光学性能的影响。稠环D-A共轭共聚合物作为给体材料与PC7,BM制备本体异质结PSCs,研究了给体与受体组分比例、添加剂、活性层厚度、载流子迁移率以及活性层形貌对稠环D-A共轭共聚合物光伏性能的影响。本论文的具体研究内容及结果如下： (1)采用主链为五元稠环噻吩[2',3'：5,6]吡啶并[3,4-g]噻吩[3,2-c]异喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(TPTI)受体单元和噻吩给体单元的新型含氮D-A共轭共聚合物聚噻吩-噻吩[2',3'：5,6]吡啶并[3,4-g]噻吩[3,2-c]异喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(PThTPTI)作为PSCs的给体材料。它的5%热失重温度可达434℃,具有较好的热稳定性能,能够达到PSCs的使用要求。该聚合物氯仿溶液和薄膜最大光谱吸收峰分别为583、623nm,同时具有较宽的吸收光谱,薄膜吸收起峰点为666nm,这也导致其适中的1.86eV光学带隙。另外,电化学分析发现PThTPTI具有低的最高占有分子轨道(HOMO)为-5.42eV,赋予电池高的开路电压(Voc)。化学添加剂(DIO)能有效提高电池的光伏性能。最佳正式电池器件具有0.92V的开路电压(Voc)、12.47mA/cm2的电流密度(Jsc),62.8%的填充因子(FF)和7.21%的光电转换效率(PCE)。反式电池ITO/ZnO/PThTPTI:PC71BM/MoO3/Ag具有更好的光伏性能,即Jsc=13.69mA/cm2,FF=65.6%和最佳PCE=7.80%。反式电池在氮气中放置长达333h后,其效率仍具有原来PCE的90%。从XRD衍射结果可以判断出PThTPTI为部分结晶行材料,这也是空穴迁移率高达1.4×10-3cm-ZV-1s-1的原因。 (2)研究了含五元稠环TPTI与苯并二噻吩(BDT)衍生物或二噻吩并噻咯(DTS)衍生物共轭结构单元的新型稠环D-A高聚物(P1、P2、P3和P4)的电化学性能、吸光特性以及光伏性能。它们的5%热失重温度均达300℃以上,显示良好的热稳定性能。四个分子均具有低于-5.30eV的HOMO能级,使得电池输出高的Voc。TITP的侧链和BDT或DTS单元造就了P1与P2,P3和P4不同物理化学性能及相应的电池特性。基于P1:PC71BM混合异质节太阳能电池的最高光电转换效率(PCE)可达5.30%。 (3)研究了基于四元稠环受体单元的D-A共轭聚合物光伏材料,聚{1,3-二(4'-己基噻吩基)-9H-茚并[1,2-b]噻吩[3,4-e]对二杂氮苯-9-酮-4,4-二(2-乙基己基)-4H-噻咯[3,2-b：4,5-b,]二噻吩}(P5)的热稳定性能、光吸收特性、电化学性能以及在PSCs上的应用。其光谱吸收范围达到1100nm,带隙低至1.12eV。PSCs器件的PCE达1.93%以及在EQE的响应范围达到了1020nm。 【关键词】：稠环D-A共轭聚合物 HOMO能级 光吸收 聚合物太阳能电池 光伏性能
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O631.3;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-28
• 1.1 前言10-12
• 1.2 光电转换原理12-13
• 1.3 聚合物太阳能电池(PSCs)的器件结构13-15
• 1.3.1 本体异质结太阳能电池14-15
• 1.3.2 反式太阳能电池15
• 1.3.3 叠层太阳能电池15
• 1.4 有机聚合物太阳能电池特性和影响因素15-17
• 1.5 活性层形貌结构对电池性能的影响17-18
• 1.6 共轭聚合物光伏材料的发展18-26
• 1.6.1 基于聚噻吩和主链含噻吩聚合物材料19-21
• 1.6.2 基于苯并二噻吩(BDT)D-A聚合物给体材料21-22
• 1.6.3 基于二噻吩并噻咯(DTS)D-A聚合物给体材料22-24
• 1.6.4 基于其他多环共轭聚合物24-26
• 1.7 本文的研究目的、创新之处和意义26-28
• 1.7.1 研究目的和意义26-27
• 1.7.2 创新之处27-28
• 2 材料与方法28-32
• 2.1 实验原材料28
• 2.2 仪器与设备28
• 2.3 正式电池制备过程28-29
• 2.3.1 聚合物与PC_(71)BM共混溶液配制28-29
• 2.3.2 电池基底清洗与PEDOT：PSS膜和氧化锌膜旋涂29
• 2.3.3 电池活性层制备29
• 2.3.4 电极蒸镀29
• 2.4 反式器件制备29
• 2.5 电子、空穴迁移率器件制备29-30
• 2.6 测试方法30-32
• 2.6.1 电化学分析30
• 2.6.2 紫外可见吸收测试30
• 2.6.3 分子量测试和热分析(TGA)30
• 2.6.4 电池J-V和EQE测试30
• 2.6.5 形貌测试30-31
• 2.6.6 膜厚测试31
• 2.6.7 电子、空穴迁移率测试31-32
• 3 结果与分析32-63
• 3.1 五元稠环二内酰胺受体单元D-A共轭聚合物PThTPTI光伏性能的研究32-46
• 3.1.1 PThTPTI的分子量与耐热性能32-33
• 3.1.2 PThTPTI的循环伏安特性33-34
• 3.1.3 PThTPTI的紫外-可见吸收特性34-35
• 3.1.4 PThTPTI：PC_(71)BM有机太阳能电池光伏性能35-41
• 3.1.5 载流子迁移率分析41-43
• 3.1.6 PThTPTI：PC_(71)BM共混膜形貌分析43-44
• 3.1.7 反式PThTPTI：PC_(71)BM本体异质结太阳能电池的稳定性分析44-46
• 3.2 具有低HOMO能级新型稠环D-A共轭聚合物(P1-P4)光伏性能的研究46-57
• 3.2.1 P1-P4的循环伏安特性48-49
• 3.2.2 P1-P4的紫外-可见吸收特性49-50
• 3.2.3 聚合物：PC_(71)BM有机太阳能电池光伏性能50-53
• 3.2.4 载流子迁移率分析53-55
• 3.2.5 P1-P4：PC_(71)BM共混膜形貌55-57
• 3.3 基于四元环稠环受体单元的D-A共轭聚合物(P5)光伏性能的研究57-63
• 3.3.1 P5的电化学性能与吸收光谱58-59
• 3.3.2 基于P5：PC_(71)BM的有机太阳能电池光伏性能59-60
• 3.3.3 载流子迁移率与形貌分析60-63
• 4 讨论63-64
• 5 结论64-65
• 参考文献65-75
• 攻读硕士研究生期间获得的成果75-76
• 致谢76

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