窄带隙共轭聚合物的制备与光伏性能研究

【摘要】：近些年来,聚合物太阳能电池由于能够采用低成本的溶液加工方法制备大面积柔性器件等优点而引起了人们的普遍关注。目前,聚合物太阳能电池的能量转换效率已达到7.73%,但离实际应用还有一定的距离。制约电池性能的重要因素是共轭聚合物的吸收光谱与太阳光谱不相匹配以及其载流子迁移率低。合成新的窄带隙聚合物材料对于改善聚合物太阳能电池对近红外区太阳光的吸收,从而提高聚合物太阳能电池的能量转换效率有重要意义。无机纳米半导体材料具有迁移率高、化学稳定性好等优点,如果在聚合物太阳能电池中引入无机半导体纳米晶(如ZnO, CdS, CdSe, TiO2等),将会有利于电荷的分离和传输,从而提高器件的性能。本论文着重为解决上述两个问题而展开研究工作。 论文的第一章综述了聚合物光伏材料及其在光电器件应用方面的研究进展。 论文第二章采用Stille偶联的方法,以4H-环戊[2,1-b：3,4-b']双噻吩为给电子单元,将其与四种吸电子单元——4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑、4,7-二溴-2,1,3-苯并噁二唑、4,7-二溴-2,1,3-苯并硒二唑和1,7-二溴-N,N’-双(2-乙基已基)-3,4,9,10-花酰亚胺共聚,合成出3种窄带隙聚合物光伏材料(P1,P3和P4)。三种聚合物的最大吸收峰位于680-750 nm,光学带隙在1.3-1.5 eV之间,热分解温度大于200℃,有潜力成为聚合物太阳能电池的光活性层材料。 基于环戊双噻吩的窄带隙聚合物合成较为困难,论文第三章以双噻吩吡咯为给电子单元,以3,6-二溴-苯酰亚胺、二苯基吡咯并吡咯二酮和2,5-二溴噻吩-3-甲酸已酯为吸电子单元,采用Stille偶联反应,合成了基于双噻吩吡咯的三种新型共轭聚合物(P6,P7和P8)。这三种聚合物的光学带隙在1.6-2.0 eV之间,HOMO(最高占据轨道)能级位于-5.4--5.1 eV,热重分析显示三种聚合物也具有良好的热稳定性,表明三种聚合物都可作为光伏材料应用于聚合物太阳能电池的研究。 论文第四章,我们对基于以上六种聚合物的光伏器件进行了研究,其中将5种聚合物(P3-P8)与1-(3-甲氧基羰基)丙基-1-苯基[6,6]C61 (PCBM)共混,制备了5种本体异质结光伏器件,其中基于P7/PCBM的器件效率最高,达到了1.22%。 论文第五章将Zn0和CdS纳米晶分别与聚合物复合,制备了PCPDTBT/ZnO纳米晶和MEH-PPV/CdS纳米晶两种复合材料。通过研究复合前后的荧光变化,确认了给体-受体两相界面间发生了由分子能级差引发的光致电荷转移,并进一步研究了两种复合材料的光伏性能。这些研究结果为探索性能更佳的共轭聚合物/无机纳米晶太阳能电池材料体系提供了重要的参考依据。 【关键词】：窄带隙聚合物 聚合物太阳能电池 无机纳米晶 有机-无机复合
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：O631.3
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目次9-12
• 1 有机太阳能电池材料及其器件的发展12-44
• 1.1 引言12
• 1.2 有机太阳能电池的发展历史12-13
• 1.3 有机太阳能电池的结构和原理13-19
• 1.3.1 有机太阳能电池的结构13-17
• 1.3.2 有机太阳能电池的原理17-19
• 1.4 有机太阳能电池材料19-33
• 1.4.1 有机小分子化合物19-23
• 1.4.2 共轭聚合物23-30
• 1.4.3 有机/无机纳米晶复合光电材料30-33
• 1.4.4 电极材料33
• 1.5 有机太阳能电池器件的性能指标33-35
• 1.6 影响有机太阳能电池效率的因素35-41
• 1.6.1 光敏层材料对太阳光谱的吸收35
• 1.6.2 光敏层薄膜的表面形貌35-41
• 1.6.3 材料的载流子迁移率41
• 1.6.4 电极接触界面的影响41
• 1.7 课题的提出及意义41-44
• 2 基于环戊双噻吩聚合物的合成与表征44-62
• 2.1 设计思路44
• 2.2 合成实验部分44-55
• 2.2.1 主要原料与仪器44-45
• 2.2.2 合成路线45-47
• 2.2.3 中间体以及聚合物的合成47-55
• 2.3 结果与讨论55-61
• 2.3.1 聚合物合成55
• 2.3.2 聚合物的紫外可见吸收光谱55-57
• 2.3.3 聚合物的光致发光性能分析57-58
• 2.3.4 聚合物的分子量和热稳定性分析58-59
• 2.3.5 聚合物的电化学分析59-61
• 2.4 本章小结61-62
• 3 基于双噻吩吡咯聚合物的合成与表征62-78
• 3.1 设计思路62
• 3.2 合成实验部分62-72
• 3.2.1 试剂与仪器62-63
• 3.2.2 合成路线63-65
• 3.2.3 中间体以及聚合物的合成65-72
• 3.3 结果与讨论72-77
• 3.3.1 单体和聚合物合成72
• 3.3.2 聚合物紫外可见吸收光谱72-74
• 3.3.3 聚合物的光致发光性能分析74
• 3.3.4 聚合物的分子量和热稳定性分析74-75
• 3.3.5 聚合物的电化学分析75-77
• 3.4 本章小结77-78
• 4 六种聚合物的光伏性能研究78-84
• 4.1 基于六种聚合物器件的制备78
• 4.1.1 聚合物/PCBM复合器件的制备78
• 4.1.2 P3HT/P1复合器件的制备78
• 4.2 六种聚合物器件的光伏性能78-83
• 4.2.1 器件3和4的光伏性能78-79
• 4.2.2 器件1的光伏性能79-80
• 4.2.3 器件6-8的光伏性能80-82
• 4.2.4 基于P7/PCBM光伏器件的优化82-83
• 4.3 本章小结83-84
• 5 复合材料的制备及光电性能研究84-94
• 5.1 基于PCPDTBT/ZnO纳米晶复合材料的制备及光致电荷转移84-89
• 5.1.1 复合材料的制备85
• 5.1.2 复合材料的表面形貌85
• 5.1.3 复合材料的紫外可见吸收85-86
• 5.1.4 复合材料的荧光与光致电荷转移作用86-89
• 5.2 基于MEH-PPV/CdS纳米晶复合材料的制备及光伏性能研究89-93
• 5.2.1 MEH-PPV/CdS纳米晶复合薄膜及相应光伏器件的制备89
• 5.2.2 MEH-PPV/CdS纳米晶复合薄膜的表面形貌89-90
• 5.2.3 MEH-PPV/CdS纳米晶复合材料的紫外可见吸收90
• 5.2.4 MEH-PPV/CdS纳米晶复合材料的荧光与光致电荷转移作用90-92
• 5.2.5 MEH-PPV/CdS纳米晶复合材料的光伏性能92-93
• 5.3 本章小结93-94
• 6 主要结论与创新点94-96
• 6.1 主要结论94-95
• 6.2 创新点95-96
• 参考文献96-106
• 作者简介及攻读博士期间发表及待发表论文106

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