三元共聚合成一种体相异质结太阳能电池给体材料与器件表征

【摘要】：日益增长的能源需求和化石能源的逐渐枯竭,太阳能作为一种清洁的、可再生的能源,越来越受到人们的关注。聚合物太阳能电池具有制备简单、可大面积成膜、成本低等优点,尤其是聚合物太阳能电池可柔性制备的特点,更能适应环境要求。聚合物太阳能电池经过多年的研究,电池的器件效率稳步提升,通过合成新材料和改善器件制备工艺的方法已接近10%。但由于有机聚合物太阳能电池还存在着稳定性、器件寿命和光电转换效率等问题,限制了大面积使用。 聚合物太阳能电池器件的效率由开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)和填充因子(FF)决定。窄带隙聚合物材料是指：聚合物中最高被占有空轨道(HOMO)与最低未占有空轨道(LUMO)之间的能级差小于2.0eV,即聚合物能吸收波长620nm以上的光能。降低聚合物的带隙可以使材料的吸收峰红移至远红外区,使吸收峰与太阳光谱更加匹配,增加太阳光子的吸收效率。除了改变材料的吸收也可以通过调节能级的方法调节开路电压Voc,但是过于降低能级带隙会降低电池器件的开路电压,导致器件的效率(PCE)下降,所以调节聚合物能级使开路电压在一个合适的范围内成为了合成聚合物材料必须考虑的一个方面。 最近几年,窄带隙共聚物中电子给体(Donor)和电子受体(Acceptor)材料交替共聚的方式被广泛应用到了聚合物太阳能电池材料的合成当中。这样做可以有效降低材料的HOMO能级从而提高器件的Voc。 本论文主要工作是合成一种三元随机共聚的窄带隙共轭聚合物给体Donor材料,与富勒烯的衍生物(PC71BM)作为受体材料共混制作电池器件,并对器件结构和性能进行研究。 我们通过Stille偶联反应聚合成三元共聚物DTS-BT-TPD,在分子主链中同时引入两个电子受体单元。由于这两种电子缺失基团的引入,材料展现出适中的HOMO能级值(-5.0eV),与富勒烯衍生物PC71BM共混制备成的电池器件,光敏层厚90nm,器件面积0.09cm2,薄膜在360nm-800nm波长范围内有较好的吸收。通过加入1,8-二碘辛烷作添加剂调节器件形貌,光敏层由于添加剂的加入,两相出现了明显的相分离现象,提高了激子分离和传输。将器件效率由初始1.05%提高到2.60%。 【关键词】：窄带隙 聚合物 太阳能电池
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-6
• 第一章 文献综述6-19
• 1.1 概述背景6
• 1.2 聚合物太阳能电池发展史6-7
• 1.3 聚合物太阳能电池7-10
• 1.3.1 聚合物太阳能电池光电转换机理7-8
• 1.3.2 聚合物太阳能电池结构8-9
• 1.3.3 聚合物太阳能电池的表征参数9-10
• 1.4 聚合物太阳能电池材料材料10-14
• 1.4.1 主要的给体材料10-13
• 1.4.2 主要的受体材料13-14
• 1.5 体相异质结太阳能电池的器件形貌调控14-16
• 1.5.1 退火处理14-15
• 1.5.2 添加剂15-16
• 1.6 常见的两种聚合方法Stille偶联反应和Suzuki缩聚反应16-17
• 1.6.1 Stille偶联反应16
• 1.6.2 Suzuki缩聚反应16-17
• 1.7 论文的研究对象和目的17-19
• 第二章 实验部分19-33
• 2.1 实验试剂和测试仪器19-21
• 2.1.1 实验试剂19-20
• 2.1.2 测试仪器20-21
• 2.2 聚合物的合成实验21-31
• 2.2.1 合成路线21-24
• 2.2.2 实验前准备24
• 2.2.3 合成步骤24-26
• 2.2.4 关键步骤产品核磁共振图谱26-31
• 2.3 测试方法及条件31
• 2.4 体相异质结聚合物太阳能电池器件的制备31-33
• 2.4.1 前处理31
• 2.4.2 电池器件制备31-33
• 第三章 结果与讨论33-38
• 3.1 器件的表征33-36
• 3.1.1 聚合物的热稳定性33
• 3.1.2 材料的吸收特性33-34
• 3.1.3 聚合物能级测定34-35
• 3.1.4 聚合物太阳能电池器件特性35-36
• 3.2 电池器件优化36-38
• 结论38-39
• 致谢39-40
• 参考文献40-44
• 作者简介44
• 攻读硕士学位期间研究成果44-45

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