基于溶于绿色溶剂的共轭聚合物材料的太阳能电池研究

【摘要】：过去几十年来,由于成本低、质量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点,基于聚合物的太阳能电池成为了科研界的研究热点,引起了广泛的关注。近几年来,科研工作者们在基于聚合物的太阳能电池的器件优化、材料设计与合成、界面修饰等方面做了大量的工作,使得器件的能量转换效率大幅度的提升,基于聚合物的太阳能电池的产业化指日可待。然而,目前传统的聚合物太阳能电池制备所用到的溶剂大多都是如氯仿、氯苯、二氯苯等卤代芳烃溶剂。这些卤代芳烃溶剂在光伏器件的应用上存在很多的问题。首先,这些卤代芳烃溶剂都是高毒性的溶剂,在制备过程中的挥发会对人的健康造成严重的危害。其次,这些卤代芳烃溶剂如果释放到大气中会对环境造成污染和危害,有可能破坏地球上方臭氧层并且造成酸雨。而且,这些溶剂的生产过程使得其价格也相对昂贵。这些问题使得卤代芳烃溶剂不宜用于光伏器件的制备生产中,也不符合目前所提倡的绿色化学的概念,是基于聚合物的太阳能电池商业化的重大障碍。在本论文中,我们利用绿色溶剂处理的聚合物材料,包括共轭聚电解质与聚合物纳米粒子,作为界面修饰材料与给体材料应用于基于聚合物的太阳能电池中,从而避免了高毒性的卤代芳烃有机溶剂的使用,实现了太阳能电池制备过程的绿色化。1.在第二章中,我们利用新型的基于芴与二噻吩苯并噻二唑基团的共轭聚电解质PFBTBr100作为阴极界面修饰材料修饰了给受体材料为P3HT:PC61BM的聚合物太阳能电池。PFBTBr100的季铵盐侧链使得其易溶解于甲醇溶剂中,旋涂时不会破坏活性层。由静电力显微镜可以看到PFBTBr100作为阴极界面修饰层可以在活性层与电极之间形成一层电偶极子,从而将器件的开路电压由0.51V提高到0.63V,能量转换效率由2.4%提高到3.9%。PFBTBr100的原子力显微镜测试表明,PFBTBr100层在活性层之上形成了纳米级的球状表面形貌。而PFBTBr100层不同的表面形貌对器件性能有极大的影响。当PFBTBr100溶液的浓度为0.5mgm L-1时,PFBTBr100所形成的纳米形貌的覆盖与孔洞达到了平衡,从而得到了最优的能量转换效率。X射线光电子能谱测试发现,在Al电极蒸镀过程中,PFBTBr100分子会优先与热的Al原子发生反应,从而保护了活性层不会受到热的Al原子的破坏。2.在第三章中我们选择新型的基于芴与二噻吩苯并噻二唑基团的共轭聚电解质PFBTBr80作为给体材料,水相的Cd Te纳米粒子作为受体材料制备了杂化太阳能电池器件。二噻吩苯并噻二唑吸电子基团的引入,使得PFBTBr80的紫外可见吸收红移至700nm,有利于吸收更多的太阳光。PFBTBr80易溶于绿色溶剂DMF中,Cd Te纳米粒子溶于水中,因此实现了太阳能电池的绿色制备过程。通过器件优化,我们得到了杂化太阳能电池器件的最佳优化条件。我们还研究了Cl活化处理对基于PFBTBr80与Cd Te纳米粒子的杂化太阳能电池的器件效率的影响。研究表明:在退火前对Cd Te层进行Cl处理能有效的提高器件的能量转换效率;相对于浸泡和滴涂法等其他方法,旋涂法和蒸镀法是有效的Cl活化处理方法;利用Mg Cl2代替Cd Cl2以实现更便宜、安全的Cl活化处理。通过Cl活化处理最终得到了6.01%的能量转换效率。3.在第四章中我们选取了经典的太阳能电池给体材料共轭聚合物P3HT,利用再沉淀法制备了水相P3HT点。透射电子显微镜测试表明,P3HT点的平均直径为2.09nm。紫外可见吸收光谱测试表明,水相的P3HT点的吸收与P3HT在有机溶剂中的吸收相同。我们制备了给体为P3HT点,受体为Cd Te纳米粒子的水相杂化太阳能电池。给受体比例的器件优化表明,当给受体质量比例1:24为最优给受体比,此时器件的能量转换效率为4.12%。我们研究了退火处理对器件性能的影响。研究表明,P3HT点的引入可以将基于P3HT点与Cd Te纳米粒子的水相杂化太阳能电池的退火时间由1小时大大缩短为10分钟。由透射电子显微镜与原子力显微镜我们观察到,随着退火时间的增加,Cd Te纳米粒子融合生长使得其尺寸逐渐变大。在265oC下退火10分钟时可使活性层形成最优的给受体互穿网络,最终得到4.32%的能量转换效率。P3HT点的引入拓宽了水相杂化太阳能电池的给体材料选择范围,实现了太阳能电池制备的绿色化。综上所述,我们研究了新型的绿色溶剂处理的聚合物材料:共轭聚电解质与共轭聚合物纳米粒子在基于聚合物的太阳能电池中的应用。这些材料的引入为实现太阳能电池制备的绿色化提供了简单可行的方法,有潜力成为基于聚合物的太阳能电池在学术研究与工业化发展上的热点与发展趋势。 【关键词】：绿色溶剂 基于聚合物的太阳能电池 器件制备
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O631;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-44
• 1.1 引言12-15
• 1.2 溶于绿色溶剂的聚合物材料概述15-24
• 1.2.1 共轭聚电解质概述15-19
• 1.2.2 聚合物纳米粒子概述19-22
• 1.2.3 基于水溶性前驱体的共轭聚合物概述22-23
• 1.2.4 带有极性基团的共轭聚合物概述23-24
• 1.3 溶于绿色溶剂的共轭聚合物材料在光伏器件中的应用24-36
• 1.3.1 以共轭聚合物为给体材料的太阳能电池简介24-27
• 1.3.2 溶于绿色溶剂的聚合物材料在光伏器件中的应用27-36
• 1.4 本论文的设计思想与研究内容36-37
• 1.5 参考文献37-44
• 第2章 共轭聚电解质PFBTBr100在聚合物太阳能电池阴极界面修饰上的应用44-62
• 2.1 引言44-45
• 2.2 实验部分45-47
• 2.2.1 实验原料45-46
• 2.2.2 表征仪器46
• 2.2.3 材料合成与器件制备46-47
• 2.3 结果与讨论47-57
• 2.4 本章小结57
• 2.5 参考文献57-62
• 第3章 共轭聚电解质PFBTBr80在聚合物:无机纳米粒子杂化太阳能电池中的应用62-83
• 3.1 引言62-63
• 3.2 实验部分63-65
• 3.2.1 实验原料63
• 3.2.2 表征仪器63-64
• 3.2.3 材料合成与器件制备64-65
• 3.3 结果与讨论65-78
• 3.4 本章小结78-79
• 3.5 参考文献79-83
• 第4章 共轭聚合物P3HT点在聚合物:无机纳米粒子杂化太阳能电池中的应用83-100
• 4.1 引言83-84
• 4.2 实验部分84-85
• 4.2.1 实验原料84
• 4.2.2 表征仪器84
• 4.2.3 材料合成与器件制备84-85
• 4.3 结果与讨论85-95
• 4.4 本章小结95-96
• 4.5 参考文献96-100
• 第5章 结论100-102
• 攻读学位期间取得的学术成果102-105
• 致谢105

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