新型窄带隙聚合物太阳能电池材料的合成及性能研究

【摘要】：有机光伏技术为太阳能的有效利用提供了一条重要途径。凭借着其制造成本低廉、材料质量轻、加工性能好,易于携带等优势而备受关注。提高有机太阳能电池的光电转换效率是目前乃至未来的研究重点。设计和合成适合的窄带隙(LBG)的共轭聚合物是提高有机太阳能电池光电转化效率的核心。本论文主要围绕给体(D)-受体(A)型共轭聚合物材料的设计、合成以及光电性能研究,以期望获得高效的LBG共轭聚合物。主要内容如下： 1.设计合成了一系列基于环戊并二噻吩(CPDT)单元的D-A型LBG共轭聚合物,研究了氟原子及侧链对聚合物光电性质的影响。聚合物在可见及近红外区域内都表现出很强的吸光能力,能带间隙均小于1.5eV。由于氟原子的缺电子性质以及侧链的不同构型,导致聚合物在固体状态下表现出不同的排列方式,其中聚[2,6-(4,4-双(2-乙基己基)-4氢-环戊[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-交-4,7(单氟-2,1,3-苯并噻二唑)]EH-FBT的π-π堆砌距离仅为是3.8A,空穴迁移率为0.014cm2V-1s"1。基于PCPDTFBT的异质结(BHJ)太阳能电池器件经过性能优化后光电转化率(PCE)达到6.6%,短路电流为14.3mA/cm2。将其进一步应用到双结(异质结)电池中,PCE高达8.2%。 2.设计合成了一个十一元共轭稠环化合物(IDTCPDT),该化合物表现出强的给电子能力,高的摩尔消光系数,好的刚性平面结构以及低的重组能。基于该给体单元,合成了窄带隙聚合物PIDTCPDT-DFBT,该聚合物拥有很强的吸光能力,很好的平面性,荧光寿命为1.52ns。理论计算得到的重组能只有3.2kcal/mol。基于该聚合物的场效应晶体管空穴传输能力可达2.4×10-2cm2V-1s-1。将该聚合物作为给体材料制作成为太阳能电池器件时,PCE为6.5%,短路电流为14.6mA/cm2,是目前已报道的基于阶梯型聚合物太阳能电池的最高值。 3.采用微波辅助Stille偶联设计并合成了三个基于吡咯并吡咯二酮(DPP)的二维共轭聚合物。由于DPP的较强缺电子特性,得到的三个聚合物都表现出极窄的能带间隙,分别为1.50,1.48和1.43eV,可以与太阳光谱很好的匹配。再者,DPP骨架出色的平面性以及其形成氢键的能力使得三个共聚物都具有较强的π-π堆砌能力。电化学测试表明,增加侧链的共轭长度可以有效的降低HOMO能级,提高聚合物电池的开路电压。值得注意的是活性层的形貌对激子的解离和扩散是非常重要的。当使用纯邻二氯苯作溶剂制备活性层时,聚合物与PC71BM之间形成尺寸较大的团聚体。当使用共混溶剂时(如氯仿和邻二氯苯)团聚现象消失,聚合物和(6,6)-苯基C71丁酸甲基酯(PC71BM)之间形成网状纳米纤维,极大的改善了聚合物与PC71BM之间的相互聚集,提高了激子的有效分离几率,器件的光电转化效率从原来的0.24%提高到4.47%。优化后的器件PCE最高达到了5.34%。 4.设计合成了苯并硒二唑衍生物单氟-2,1,3-苯并硒二唑(FBSe),增加了苯并硒二唑的吸电子能力并且降低了HOMO能级。并以FBSe为受体单元共聚得到聚合物PBDT-FBSe和PIDT-FBSe。两个聚合物都拥有较小的能带间隙分别只有1.60和1.58eV。其次,这两个聚合物具有良好的堆积作用,其薄膜紫外吸收较溶液吸收,发生了明显的红移。此外,PBDT-FBSe和PIDT-FBSe表现出较低的HOMO能级,这有利于在光伏器件中获得较高的开路电压。这两个聚合物的场效应晶体管空穴传输能力分别为1.1×10-4和3.0×10-3cm2V-1s-1。作为给体材料,BHJ太阳能电池的PCE分别达到5.00%和4.65%。 5.设计并合成了以氟代喹喔啉为受体单元的窄带隙聚合物PCPDT-DFPhQ, PCPDT-DFPhQ-M和PCPDT-DFPhQ-O,这些聚合物都具有很好的溶解性,能溶于大多数有机溶剂中。当引入烷氧基侧链时,聚合物PCPDT-DFPQ-O的HOMO能级显著升高。原子力显微镜结果表明较长的烷氧基侧链会引起聚合物空间位阻的增加,与PC71BM之间会形成尺寸较大的团聚体,影响激子的分离和扩散。因此,基于PCPDT-DFPhQ-O的太阳能电池器件,仅取得0.94%的PCE。其中短路电流只有2.52mA/cm2。相反,基于PCPDT-DFPhQ的电池获得最大PCE为5.30%,开路电压达到了0.83V,短路电流提升到12.05mA/cm2。 6.设计并合成了两个D-A1-D-A2型共轭聚合物PCPDT-DFBT-TPD和PCPDT-DFBT-DPP。这两个聚合物都拥有较小的能带间隙,较低的HOMO能级。此外PCPDT-DFBT-TPD和PCPDT-DFBT-DPP都能溶于绝大多数有机溶剂。而基于PCPDT-DFBT-TPD和PCPDT-DFBT-DPP的BHJ太阳能电池器件的PCE分别达到了3.15%以及3.11%。 7.系统总结了第二章至第七章的主要研究结果。 【关键词】：有机太阳能电池 共轭聚合物材料 窄带隙聚合物 拉/推电子基
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 聚合物太阳能电池材料研究进展13-50
• 1.1 引言13-15
• 1.2 有机异质结太阳能电池的基本特征15-18
• 1.2.1 器件构型15-16
• 1.2.2 光电转化机制16-17
• 1.2.3 有机太阳能电池的主要参数17-18
• 1.3 聚合物太阳能电池材料的设计与合成18-34
• 1.3.1 聚合物太阳能电池材料的发展历程18-21
• 1.3.2 聚合物太阳能电池材料的设计与研究21-34
• 1.4 聚合物太阳能电池的发展前景及课题提出34-39
• 1.5 课题创新点39-41
• 参考文献41-50
• 第二章 含环戊并二噻吩高分子的合成及太阳能电池性能研究50-70
• 2.1 引言50-51
• 2.2 实验部分51-57
• 2.2.1 试剂51
• 2.2.2 分析测试与仪器51
• 2.2.3 器件的制作51
• 2.2.4 器件的测试51-52
• 2.2.5 合成部分52-57
• 2.3 结果与讨论57-65
• 2.3.1 合成与表征57-58
• 2.3.2 光学性能58-59
• 2.3.3 电化学性能59-60
• 2.3.4 堆砌性能60-61
• 2.3.5 电荷传输性能61-62
• 2.3.6 太阳能电池性能62-65
• 2.4 本章小结65
• 2.5 参考文献65-70
• 第三章 基于新型十一元共轭稠环的窄带隙聚合物的电荷传输及光伏性能研究70-91
• 3.1 引言70-71
• 3.2 实验部分71-78
• 3.2.1 试剂71
• 3.2.2 分析测试与仪器71-72
• 3.2.3 器件的制作72
• 3.2.4 器件的测试72
• 3.2.5 合成部分72-78
• 3.3 结果与讨论78-85
• 3.3.1 合成与表征78
• 3.3.2 光学性能78-79
• 3.3.3 电化学性能79-80
• 3.3.4 理论计算80-81
• 3.3.5 荧光寿命81-82
• 3.3.6 重组能的理论计算82
• 3.3.7 电荷传输性能82-84
• 3.3.8 有机太阳能电池性能84-85
• 3.4 小结85-87
• 3.5 参考文献87-91
• 第四章 基于吡咯并吡咯二酮聚合物的合成及光伏性能研究91-112
• 4.1 引言91
• 4.2 实验部分91-97
• 4.2.1 试剂91-92
• 4.2.2 分析测试与仪器92
• 4.2.3 器件的制作92
• 4.2.4 器件的测试92-93
• 4.2.5 合成部分93-97
• 4.3 结果与讨论97-106
• 4.3.1 合成与表征97-98
• 4.3.2 光学性能98-99
• 4.3.3 理论计算99-100
• 4.3.4 电化学性能100-101
• 4.3.5 电荷传输性能101-103
• 4.3.6 太阳能电池性能103-104
• 4.3.7 活性层形貌的影响104-106
• 4.4 本章小结106-108
• 4.5 参考文献108-112
• 第五章 基于单氟取代的苯并硒二唑窄带隙聚合物的设计与光伏性研究112-126
• 5.1 引言112-113
• 5.2 实验部分113-117
• 5.2.1 试剂113
• 5.2.2 分析测试与仪器113
• 5.2.3 器件的制作113-114
• 5.2.4 器件的测试114
• 5.2.5 合成部分114-117
• 5.3 结果与讨论117-122
• 5.3.1 合成与表征117
• 5.3.2 光学性能117-118
• 5.3.3 电化学性能118-119
• 5.3.4 电荷传输性能119-120
• 5.3.5 太阳能电池性能120-122
• 5.4 本章小结122-123
• 5.5 参考文献123-126
• 第六章 基于氟代喹喔啉窄带隙聚合物的合成及光伏性能研究126-143
• 6.1 引言126-127
• 6.2 实验部分127-130
• 6.2.1 试剂127
• 6.2.2 分析测试与仪器127
• 6.2.3 器件的制作127-128
• 6.2.4 器件的测试128
• 6.2.5 合成部分128-130
• 6.3 结果与讨论130-137
• 6.3.1 合成与表征130
• 6.3.2 光学性能130-132
• 6.3.3 电化学性能132-133
• 6.3.4 理论计算133-134
• 6.3.5 电荷传输性能134-135
• 6.3.6 太阳能电池性能135-137
• 6.4 本章小结137-139
• 6.5 参考文献139-143
• 第七章 基于D-A_1-D-A_2型共轭高分子的光伏性能研究143-155
• 7.1 引言143-144
• 7.2 实验部分144-148
• 7.2.1 试剂144
• 7.2.2 分析测试与仪器144
• 7.2.3 器件的制作144
• 7.2.4 器件的测试144-145
• 7.2.5 合成部分145-148
• 7.3 结果与讨论148-152
• 7.3.1 合成与表征148
• 7.3.2 光学性能148-149
• 7.3.3 电化学性能149-150
• 7.3.4 理论计算150-151
• 7.3.5 太阳能电池性能151-152
• 7.4 本章小结152-153
• 7.5 参考文献153-155
• 第八章 总结与展望155-159
• 8.1 总结155-157
• 8.2 展望157-159
• 致谢159-161
• 附录(Ⅰ)161-163
• 附录(Ⅱ)163-166
• 附录(Ⅲ)166

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

聚3-己基噻吩的合成及表征    宫玉梅;夏令明;梁青;郭静;张鸿;

有机层/阴极界面修饰对体异质结聚合物太阳能电池性能的影响    张永志;李福山;吴朝兴;蔡寿金;郭太良;

基底温度对喷涂技术制备大面积有机太阳能电池性能的影响    胡雪花;李福山;吴朝兴;郭太良;

Synthesis and Photovoltaic Properties of Poly(5,6-bis(octyloxy)-4,7- di(thiophen-2-yl)benzo-[c][1,2,5]-thiadiazole-9,9-dioctylfuorene)    Liwei Wang;Feiyao Qing;Yeping Sun;Xiaoyu Li;Haiqiao Wang;

基于聚噻吩衍生物的太阳能电池研究进展    周立弟;胡小丹;王少洪;侯朝霞;王美涵;

量子点-聚合物纳米复合材料的研究进展    骆乐;向卫东;谢翠萍;钟家松;梁晓娟;邹军;吕春燕;

苯胺类与2,1,3-苯并硒二唑共轭共聚物的金属配合物催化法合成及其碘掺杂    吐尼莎古丽·阿吾提;麦麦提依明·马合木提;韩艳;司马义·努尔拉;

氟原子对光伏聚合物性能的影响    王海侨;余顺铨;江培;杲辰;王晓晨;李效玉;

溶剂预处理结合热退火提升聚噻吩结晶度及其光伏性能    李畅;章婷;薛唯;

嵌段共聚物在有机太阳能电池中的应用    叶妮雅;张梁;宫希杰;李晓芳;李海英;雷良才;

Rational Material Design, Interface, and Device Engineering for High-Performance Polymer and Perovskite Solar Cells    Alex Jen;

基于硅纳米线阵列的有机/无机杂化光伏电池的制备及性能表征研究    申小娟

有机蓝色荧光材料和磷光主体材料的合成及电致发光性质研究    张婷

通过界面修饰改善聚合物太阳能电池性能的研究    刘晓东

喷涂法制备聚合物太阳能电池器件研究    陈征

有机—无机杂化光伏电池中的界面效应及调控研究    张付特

基于电极界面层调控实现电池高效聚合物太阳池的研究    何志才

星形齐聚噻吩衍生物的制备及其光、电性能与应用研究    关丽

吡嗪聚合物和卟啉小分子的合成及其光伏性能研究    秦红梅

界面修饰聚合物电致发光器件及其物理机制研究    汪青

一维壳核式复合半导体杂化敏化太阳能电池的研究    孙宝

本体异质结有机太阳能电池的数值模拟    刘伟

有机光电功能材料的理论研究及设计    张燕

纳米结构金属的表面等离效应在有机太阳能电池中的应用    樊国强

新型富勒烯衍生物的合成以及在聚合物太阳能电池中的应用    杨涛

有机光伏器件的界面电子结构及其电子复合与产生过程的研究    李剑

聚萘及聚芴类荧光微纳米球的制备与表征    谢俊娜

企业社会资本对创新绩效的影响研究    张良

有机小分子太阳能电池界面修饰的研究    黄俊华

PCPDTBT：ICBA聚合物太阳能电池特性研究    魏栋

基于BDT单体的共轭聚合物的合成及性能研究    孙丽丽

世界包装之新    

聚合物薄膜厚度和极化工艺对二次谐波的影响    吕仕智,曹庄琪,王峰,沈启舜,杨艳芳

聚合物对水泥砂浆性能的影响研究    宋艳春;

红光染料掺杂聚合物薄膜的放大自发发射特性    卢鹉;郭文滨;钟波;马东阁;

制膜工艺对聚合物太阳电池性能影响的研究    徐苗;彭俊彪;

聚合物薄膜耐放电性比较(摘要)    蔡小平;高璇;李静一;

PT-PEK-c电光聚合物薄膜的厚度和介电性质    任诠,王志刚,郭世义,许东,尚淑霞

薄膜光学理论与膜系设计    

椭偏法测试聚合物薄膜折射率的研究    周建华,游佰强,陈振兴,肖磊,王静

染料聚合物薄膜辐射光谱    林文学;刘劲松;

电化学聚合制备高性能光电功能聚合物薄膜    马於光;

用掠入射X射线衍射表征共轭聚合物薄膜的真实微结构    张吉东;陈刘然;王鹏月;莫志深;谢志元;王利祥;

纳米银颗粒局域表面等离子体效应在聚合物光子学中的应用    张斗国;王沛;焦小瑾;周京利;孙友谊;苑光辉;邓燕;孙晓红;章江英;曹立;张其锦;明海;张泽渤;

聚合物发光二极管聚合物薄膜中空穴(电子)的产生和输运    彭景翠;瞿述;李宏建;许雪梅;罗小华;成奋强;

聚合物薄膜平面波导的光传输模式和光传输损耗    史伟;房昌水;潘奇伟;顾庆天;吴祥雯;魏红振;余金中;

窄带隙聚异靛衍生物的合成及其光伏性能研究    刘波;邹应萍;贺跃辉;

光学质量电光聚合物薄膜的制备及其电光调制性能    郝聚民;邱玲;沈玉全;杨艳芳;沈启舜;曹庄琪;韩梅娟;朱传凤;万立骏;

基于“氢键巨簇”现象原位聚合制备聚合物薄膜    张莉;栗原和枝;

聚合物物理老化热动力学模型    贺耀龙;胡宏玖;张俊乾;李达开;朱文书;周沙叙;赵峰;

层状组装聚合物薄膜的室温纳米压印    卢迎习;孙俊奇;吕男;沈家骢;

聚合物薄膜修复破裂血管    梓桦

“隐形”有望成真    丁小希

光通信开创真正的宽带时代    本报编辑部编译

聚合物电极材料成功应用于电容器    高飞

美开发出可快速干燥新型聚合物    冯卫东

师道传承 探索化学真谛    记者 程曦

美国《大众科学》关注全球七大创新工程    

泰企业进军生物包装市场    牛力

直接甲醇燃料电池（DMFC）的剖析    山东 苗本秀

功能独特，食品包装兴起可食潮    正雅

基于微型生物反应器的聚合物荧光传感膜及双光子非线性材料的研究    沈梁钧

介电高弹聚合物力电行为研究与器件设计    李铁风

苯并稠杂环类聚合物太阳能电池材料的性能研究    刘波

含氮芳杂环类窄带隙给体聚合物及本体异质结太阳电池    张斌

含磷酰胆碱功能基团聚合物的制备与生物相容性研究    李琳

基于双电光分子聚合物薄膜器件的THz时域谱系统的研制与介电谱测量    蒋强

多元氢键自组装热回复性超分子聚合物的合成与研究    陈玉洁

新型窄带隙聚合物太阳电池给体材料的设计合成与应用    王明

含S，S-二氧—二苯并噻吩单元的聚合物的合成与光电性能的研究    刘杰

层状组装聚合物薄膜的室温压印    卢迎习

螺噁嗪掺杂的聚合物薄膜光存储性质的研究    付申成

苯并噻二唑—苯胺—芴类聚合物的合成和发光性能研究    魏彩红

溶剂诱导SBS聚合物薄膜去润湿机理的研究    阎长江

聚合物薄膜的受激辐射特性研究    高瑞

翠绿亚胺聚合物高压下芳环扭角和能隙的缩减    曹建勇

弹性聚合物薄膜的力电大变形及失效模式分析    陈程

含芴和噻吩的共聚物有序薄膜的制备及光电性能研究    郭亚男

聚合物太阳能电池材料的设计合成与性能研究    徐军

氟原子对聚合物光伏给体材料性能的影响    余顺铨

介电高弹聚合物力电耦合性能测试研究    郦科