【摘要】：本論文設(shè)計(jì)合成了一系列新型共軛半導(dǎo)體聚合物材料,研究了其分子結(jié)構(gòu)和光電性能之間的聯(lián)系,在有機(jī)光伏器件和有機(jī)場效應(yīng)晶體管等方面的應(yīng)用,特別是新型聚合物材料對有機(jī)太陽能電池活性層形貌的影響,主要研究內(nèi)容如下:1.設(shè)計(jì)合成了一系列基于二維共軛側(cè)鏈修飾苯并二噻吩(BDT)的新型給體-受體(D-A)型共軛聚合物,通過引入不同的受體單元,實(shí)現(xiàn)了對材料光學(xué)帶隙和電學(xué)能級的靈活調(diào)節(jié),同時(shí)通過優(yōu)化聚合物的側(cè)鏈類型有效調(diào)節(jié)了有機(jī)分子的主鏈共平面性和溶解性。利用這些新制備聚合物材料,實(shí)現(xiàn)了多體系聚合物-PCBM有機(jī)太陽能電池5.0-6.2%光電轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)最高開路電壓達(dá)到1.0 V。這些高性能的寬帶隙和窄帶隙聚合物材料潛在上可應(yīng)用于高效疊層電池的制備。2.探索二維共軛側(cè)鏈和PCBM之間的分子間作用力,通過調(diào)控聚合物側(cè)鏈中共軛側(cè)鏈的密度,成功制備了全共軛側(cè)鏈修飾的聚合物PTP8,實(shí)現(xiàn)了高性能的聚合物/低富勒烯太陽能電池,并深入研究了二維共軛側(cè)鏈,聚合物的分子量,聚合物的分子取向結(jié)晶性,富勒烯分子的空間位阻對制備器件時(shí)富勒烯使用量的影響,為后期制備高性能高穩(wěn)定性的廉價(jià)聚合物太陽能電池提供重要的實(shí)驗(yàn)路徑和理論指導(dǎo)。3.發(fā)展了一種基于含共軛側(cè)鏈聚合物PTP8的聚合物-聚合物非富勒烯體系的有機(jī)太陽能電池,通過在給體聚合物給體材料引入共軛側(cè)鏈,將全聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從2.0%提高到4.2%,進(jìn)一步通過對聚合物受體材料結(jié)晶性的調(diào)整,優(yōu)化聚合物-聚合物體異質(zhì)結(jié)薄膜的形貌,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.01%的全聚合物太陽能電池。結(jié)合二維X射線衍射和電子顯微鏡的形貌表征,為后期聚合物-聚合物的給受體材料的搭配提供了重要的理論指導(dǎo)。4.設(shè)計(jì)制備一系列高性能新型的含多元結(jié)構(gòu)單元的D-A型聚合物,采用新穎的D1-A-D2-A和D1-D2-A-D2的分子結(jié)構(gòu)(光電轉(zhuǎn)換效率7.0-8.0%),實(shí)現(xiàn)了對聚合物材料光學(xué)性能和電學(xué)性能的精細(xì)調(diào)節(jié),這種新型結(jié)構(gòu)的聚合物材料可以實(shí)現(xiàn)高效和高熱穩(wěn)定(場效應(yīng)晶體管退火溫度達(dá)到300 oC)材料的制備,在減少有機(jī)太陽能電池能量損失和簡化器件制備工藝(無需器件后處理)同樣具有明顯優(yōu)勢。同時(shí)我們揭示了這種多元組分聚合物結(jié)構(gòu)在基于綠色溶劑制備的高性能有機(jī)太陽能電池方面的潛力。5.發(fā)展了一種基于共軛聚合物/無機(jī)納米晶的有機(jī)無機(jī)雜化太陽能電池,通過合理的聚合分子設(shè)計(jì),優(yōu)化的材料的最高電子占有軌道(HOMO能級)以及和無機(jī)納米晶材料相容性的問題,通過后期電池器件結(jié)構(gòu)和有機(jī)-無機(jī)雜化薄膜形貌的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了聚合物/PbS量子點(diǎn)4.23%,聚合物/PbSxSe1-x量子點(diǎn)5.70%的光電轉(zhuǎn)換效率,均為文獻(xiàn)報(bào)道此類型電池的最優(yōu)性能參數(shù)。通過本論文的研究,在發(fā)展新型結(jié)構(gòu)的有機(jī)半導(dǎo)體材料,在器件制備工藝、形貌優(yōu)化和光物理化學(xué)過程等關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題上有所突破,形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)和研究成果。
【圖文】：

Figure 1.1 Efficiency roadmap of solar cells certified by NREL.圖 1.1 美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的太陽能電池效率進(jìn)展圖。作為第三代太陽能電池的代表，有機(jī)聚合物太陽能的電池發(fā)展時(shí)間最為悠久從 1995 美國圣塔芭芭拉分校 Alan Heeger 教授等人首次報(bào)道以來[2]，聚合物太陽能電池已經(jīng)經(jīng)歷了 20 年的發(fā)展，因具有重量輕、成本低以及可以制成柔性大面積器件等突出優(yōu)點(diǎn)，聚合物太陽能電池成為近 20 年來新型太陽能電池的研究熱點(diǎn)，，其最高能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到 10%的商業(yè)化發(fā)展門檻[19-25]。但是相對于無機(jī)半導(dǎo)體

基于聚合物材料太陽能電池的材料設(shè)計(jì)、器件構(gòu)筑和形貌調(diào)控 第一部分 緒論 光活性層材料的改進(jìn)。尤其是共軛聚合物材料性能的改進(jìn)是聚合物太陽能電池研究的一個(gè)重點(diǎn)。近年來，大量用于光敏活性層的共軛聚合物材料被設(shè)計(jì)合成出來[4,28-30]，并被應(yīng)用到光伏器件中，為研制高效率、可商業(yè)化的有機(jī)光伏電池打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.2 聚合物太陽能電池的原理和結(jié)構(gòu)2.2.1 聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)常見的聚合物太陽能電池的基本器件結(jié)構(gòu)分為正置和反置器件結(jié)構(gòu)，如圖 2.1所示。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4


本文編號：2555585