【摘要】：有機半導(dǎo)體材料具有來源廣泛、制備簡單、成本低等優(yōu)點,被廣泛用于太陽能電池中。性能優(yōu)異的光伏材料開發(fā)是提高太陽能電池功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)的重要途徑之一。噻吩及其衍生物單元因其具有較好的富電子性和共面性,能夠有效提高材料電荷傳輸能力等優(yōu)點在有機光伏材料中被大量應(yīng)用。研究表明,有機材料骨架結(jié)構(gòu)中包含三種不同的給電子(D)和吸電子(A)單元可以有效調(diào)節(jié)其光電性能�；诖�,本文以噻吩衍生物為基本構(gòu)筑單元,合成了三類新型三元聚合物給體材料和一種小分子空穴傳輸材料。研究了其光物理性質(zhì)、熱穩(wěn)定性、電化學(xué)性質(zhì)、電荷傳輸能力并應(yīng)用于太陽能電池中。主要研究結(jié)果如下:(1)合成了兩種以噻吩為給電子單元的D-A1-D-A2型結(jié)構(gòu)規(guī)則的三元聚合物PTPDTBT和PDPPTBT。由于吡咯并吡咯二酮(DPP)具有非常強的吸電子能力,因此,聚合物PDPPTBT具有從300到900 nm較寬的吸收光譜范圍�；诒讲⒍邕�(BT)的聚合物PTPDTBT吸收范圍為300-700 nm。以兩種聚合物作為給體,PC_(71)BM為受體制備正置結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池(PSCs),器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/polymer:PC_(71)BM/LiF/Al。在AM 1.5G,100 mW cm~(-2)模擬太陽光照射下,基于聚合物PTPDTBT的PSCs的開路電壓(V_(oc)),短路電流密度(J_(sc))和填充因子(FF)分別為0.90 V,7.88 mA cm~(-2)和0.41,PCE達(dá)到了2.90%。相同條件下,PDPPTBT制備的PSCs,PCE為1.35%,V_(oc)為0.57 V,J_(sc)為4.21 mA cm~(-2),FF為0.56。(2)在苯并二噻吩(BDT)單元兩端引入一氟苯(1FB)或二氟苯(2FB)單元,合成了兩種含氟苯單元的中間體,分別與兩種吸電子單元DPP和BT聚合,最終合成了四種結(jié)構(gòu)規(guī)則的D1-A-D2-A型三元聚合物PBDTDPP-1FB,PBDTDPP-2FB,PBDTBT-1FB和PBDTBT-2FB。其中基于DPP的聚合物PBDTDPP-1FB和PBDTDPP-2FB具有良好的吸光能力,非常寬的紫外-可見吸收光譜,吸收邊可達(dá)1000 nm處近紅外區(qū)域,然而由于LUMO能級太低,不適合制備聚合物太陽能電池。另一方面,不同的氟苯單元有效調(diào)節(jié)了聚合物的能級和空穴遷移率,兩種聚合物材料PBDTBT-1FB和PBDTBT-2FB均為寬帶隙聚合物,其E_g~(opt)為1.98 eV左右,具有較低的HOMO能級。含二氟苯的聚合物PBDTBT-2FB的空穴傳輸性能優(yōu)于PBDTBT-1FB。以PBDTBT-1FB作為給體制備的PSCs,其PCE為2.16%,V_(oc)為0.95 V�；赑BDTBT-2FB的PSCs,V_(oc)超過了1.0 V,PCE達(dá)到了3.34%。結(jié)果表明在聚合物骨架結(jié)構(gòu)中合理引入氟苯單元能夠有效提高聚合物太陽能電池的開路電壓。(3)以TPD和BTO作為兩種吸電子單元合成了一系列D-A1-D-A2型無規(guī)則聚合物。不同的給電子單元噻吩(T),噻吩并噻吩(TT)和三聯(lián)噻吩(3T),對聚合物的光物理性能,溶解性和電荷傳輸能力產(chǎn)生了不同的影響,并影響了聚合物的光伏特性。結(jié)果表明,三個聚合物材料中,基于T單元的三元聚合物PTPDBTO-T具有最低的HOMO和LUMO能級,制備的PSCs具有最高的V_(oc),為0.93 V,活性層厚度為183 nm時,J_(sc)為11.05 mA cm~(-2),FF為0.62,PCE達(dá)到了6.37%�；赥T單元的聚合物PTPDBTO-TT具有最高的吸光系數(shù)和最優(yōu)異的電荷傳輸性能,制備PSCs,活性層厚度為285nm時,具有高的J_(sc)為12.56 mA cm~(-2),FF為0.61,V_(oc)為0.90 V,PCE達(dá)到了6.92%。PTPDBTO-T和PTPDBTO-TT作為給體制備的PSCs在活性層厚度100-285 nm范圍內(nèi),PCE能夠保持在6%以上,FF維持在0.60以上。結(jié)果表明無規(guī)則三元聚合物PTPDBTO-T和PTPDBTO-TT對活性層厚度不敏感,可制備厚活性層太陽能電池。(4)以BDT單元作為中心核,合成了一種含氟苯單元的小分子材料BDT2FMeDPA,作為非摻雜空穴傳輸材料制備碳電極鈣鈦礦太陽能電池。相比于無氟小分子BDT0FMeDPA,BDT2FMeDPA具有更高的空穴遷移率和電導(dǎo)率,低的HOMO和LUMO能級�；贐DT2FMeDPA的非摻雜鈣鈦礦太陽能電池,PCE最高可達(dá)14.5%,明顯高于相同條件下無氟取代材料的電池效率(11.3%)。BDT2FMeDPA具有良好的疏水性,因此,制備的電池具有良好的穩(wěn)定性,大氣條件下未封裝存放30天后電池的效率仍能保持在初始值的90%以上。結(jié)果表明,在小分子空穴傳輸材料中合理引入氟原子能有效改善材料的性能,有助于提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。
【圖文】：

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 空穴傳輸層，有助于優(yōu)化 ITO 和活構(gòu)成；通過真空蒸鍍的方式沉積 A間還有一層電子傳輸層，最常使用極和陰極的功函數(shù)要分別與給體ar orbits)、受體的最低未占軌道 反向器件的結(jié)構(gòu)一般為 ITO/ZnO/A極為陽極，ZnO 和 MoO3分別為電

圖 1-3 聚合物太陽能電池中光生激子產(chǎn)生，擴散，分解和電荷收集的主要過程Fig. 1-3 The processes of photo-generated exciton generation, diffusion, decomposition and chargecollection in polymer solar cell(3) 激子解離: 激子擴散到金屬/半導(dǎo)體界面或給受體異質(zhì)結(jié)界面，分解成電子和的過程。光伏電池要將 Frenkel 激子解離，就需要提供一個能量補償這一激子束縛能異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，這一能量由給受體的能級差提供。(4) 載流子的傳輸與收集: 電子和空穴分別向正負(fù)電極定向輸運然后被電極收集流子在輸運過程中，既有受內(nèi)建電場驅(qū)動的漂移運動，，也有從高濃度區(qū)域 (激子解面)向低濃度區(qū)域的擴散輸運。影響載流子傳輸效率的因素包括電場強度、載流子移率、載流子的壽命和擴散系數(shù)等。在實際情況中，由于有機材料載流子遷移率能形成空間電荷堆積，造成光電流的損失。為了減少損失，需要調(diào)控電子和空穴的平衡。電極的功函數(shù)與有機材料的 HOMO、LUMO 能級越匹配，其界面越接近理想的
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4;TB34

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本文編號：2633575