有机太阳能电池中的光物理过程研究

【摘要】： 有机太阳能电池以其清洁、可弯曲和易于大面积制作等优点成为新能源研究中的热点,而有机太阳能电池要真正成为一种低成本、有市场竞争力的可替代绿色能源,首先必须在光电转换效率方面取得突破。在有机太阳能电池中,激子复合是影响光电转换效率的重要因素,为了洞悉有机太阳能电池中的光致电子转移机理,本文以马库斯(Marcus)电子转移理论为基础,通过荧光猝灭重点研究低聚噻吩与富勒烯间的光致电子转移规律。主要研究工作及取得的创新性成果如下: (1)由于低聚噻吩与富勒烯的吸收谱存在交迭,研究中将不可避免地遇到内滤效应影响的问题。荧光内滤效应的作用将会对光谱测量产生不可忽视的干扰,使得实验数据不能真实反映荧光猝灭的程度,从而也就无法正确地分析材料间的电子转移效率。针对这一难题,本文首先就内滤效应中的竞争吸收和再吸收过程对荧光猝灭率的影响机理分别进行了研究,通过建立二元系统混合吸收的物理模型,提出了去除内滤效应影响的校正方法,为获取正确可靠的荧光猝灭率提供了保障,也为解决内滤效应影响这一光谱分析中的共性问题提供了一条新的途径。 (2)施主、受主间的电子转移过程宏观地体现为荧光的猝灭,通过荧光分析就能研究低聚噻吩与富勒烯间的电子转移效率。借助本文所发明的校正方法,首次对低聚噻吩(3T～7T)与富勒烯(C_(60)、C_(70)、C_(84))间的荧光猝灭进行了系统性研究,发现了光致电子转移效率随低聚噻吩分子链长及富勒烯电子亲和力变化的规律;同时,根据Marcus的电子转移理论,对描述电子转移可能性的自由能变化进行了研究,利用Weller方程对所发现的电子转移规律进行了印证。 (3)为了了解取代基对电子转移效率的影响,本文首次对引入取代基的三联噻吩(3P)与富勒烯(C_(60)、C_(70)、C_(84))间的荧光猝灭进行研究,并与参照材料(5T)进行了对比分析,结果表明其与富勒烯间的电子转移效率同样依赖于富勒烯的电子亲和力,且荧光猝灭率有所上升,但引入取代基后,光吸收及本征荧光强度有所下降。研究结果对于有机光敏材料的合成具有指导意义。 (4)有机太阳能电池的制备技术是实现太阳能转化为电能的关键。本文对基于低聚噻吩(6T、7T)和富勒烯(C_(60)、C_(70))的有机太阳能电池的制备进行探索性研究,取得了阶段性进展和实践经验,为今后研究工作的深入开展奠定了基础。 本文的研究工作得到国家自然科学基金的资助(项目编号:20573030)。 【关键词】：有机太阳能电池 荧光猝灭 电子转移效率 内滤效应 富勒烯
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 致谢11-15
• 插图清单15-18
• 表格清单18-19
• 第一章 绪论19-27
• 1.1 温室效应19-20
• 1.2 可再生能源20-24
• 1.2.1 太阳能20-22
• 1.2.2 太阳能电池22
• 1.2.3 有机太阳能电池的发展及现状22-24
• 1.3 课题的提出24-25
• 1.4 课题来源25
• 1.5 课题的目的、意义及主要研究内容25-27
• 1.5.1 课题的目的、意义25-26
• 1.5.2 主要研究内容26-27
• 第二章 荧光内滤效应校正方法的研究27-46
• 2.1 紫外-可见分光光度法27-29
• 2.1.1 光致激发27-28
• 2.1.2 吸收光谱的测量28-29
• 2.2 荧光分光光度法29-33
• 2.2.1 荧光的产生29
• 2.2.2 影响荧光光谱的因素29-31
• 2.2.3 荧光猝灭31-32
• 2.2.4 荧光光谱的测量32-33
• 2.3 内滤效应影响荧光猝灭的机理研究33-36
• 2.4 内滤效应校正方法研究36-40
• 2.4.1 对竞争吸收的校正36-39
• 2.4.2 对再吸收的校正39-40
• 2.5 关于校正方法的说明40-42
• 2.5.1 竞争吸收的校正方法说明40
• 2.5.2 再吸收的校正方法说明40-42
• 2.6 校正效果检验42-44
• 2.7 本章小结44-46
• 第三章 低聚噻吩与富勒烯间光致电子转移的荧光猝灭研究46-87
• 3.1 有机太阳能电池原理46-52
• 3.1.1 有机太阳能电池的工作原理及结构特征47-49
• 3.1.2 π-共轭聚合物的特性49-52
• 3.1.3 有机太阳能电池研究中的关键问题52
• 3.2 能量转移和电子转移理论52-57
• 3.2.1 F?rster 和Dexter 能量转移理论53-54
• 3.2.2 Marcus 电子转移理论54-57
• 3.3 电荷分离热力学57-58
• 3.4 施主/受主系统中的光物理过程及光谱检测58-59
• 3.5 四噻吩与富勒烯(C_(60)、C_(70)、C_(84))间光致荧光猝灭的研究59-66
• 3.5.1 实验部分59-62
• 3.5.2 数据校正处理62-64
• 3.5.3 结果分析64-66
• 3.6 低聚噻吩与富勒烯间光致荧光猝灭的系统研究66-85
• 3.6.1 实验仪器和试剂66
• 3.6.2 富勒烯和低聚噻吩的吸收光谱测量66-68
• 3.6.3 3T/富勒烯(C_(60)，C_(70)，C_(84))的荧光光谱测量及数据处理68-71
• 3.6.4 4T/富勒烯(C_(60)，C_(70)，C_(84))的荧光光谱测量及数据处理71-74
• 3.6.5 5T/富勒烯(C_(60)，C_(70)，C_(84))的荧光光谱测量及数据处理74-76
• 3.6.6 6T/富勒烯(C_(60)，C_(70)，C_(84))的荧光光谱测量及数据处理76-79
• 3.6.7 7T/富勒烯(C_(60)，C_(70)，C_(84))的荧光光谱测量及数据处理79-81
• 3.6.8 电子亲和力相关的荧光猝灭分析81-84
• 3.6.9 低聚噻吩分子链长相关的荧光猝灭分析84-85
• 3.7 本章小结85-87
• 第四章 低聚噻吩衍生材料的荧光猝灭研究87-94
• 4.1 3P 的分子结构和光谱特征87-89
• 4.2 实验部分89-91
• 4.2.1 吸收谱测量89
• 4.2.2 3P/富勒烯(C_(60)，C_(70)，C_(84))荧光光谱测量89-91
• 4.3 数据校正处理91-92
• 4.4 结果分析92-93
• 4.4.1 3P 荧光猝灭与富勒烯电子亲和力的关系92
• 4.4.2 3P 与5T 的荧光猝灭比较92
• 4.4.3 取代基影响荧光猝灭的动力学分析92-93
• 4.5 本章小结93-94
• 第五章 制备有机太阳能电池的研究94-99
• 5.1 镀膜实验94-96
• 5.1.1 四噻吩（4T）的镀膜实验94-95
• 5.1.2 六噻吩（6T）和七噻吩（7T）的镀膜实验95
• 5.1.3 富勒烯（C_(60)、C_(70)、C_(84)）的镀膜实验95
• 5.1.4 双层膜的制备实验95-96
• 5.1.5 背电极的制备实验96
• 5.2 检测实验及分析96-98
• 5.3 本章小结98-99
• 第六章 总结与展望99-101
• 6.1 研究总结99
• 6.2 工作展望99-101
• 参考文献101-107
• 攻读博士学位期间发表的论文及成果107-108

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