【摘要】：在近幾年中,有機聚合物太陽能電池(PSC)取得了快速發(fā)展,最先進的PSC的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)已超過14%。為了設(shè)計高光伏性能的聚合物材料,其化學(xué)結(jié)構(gòu)必須與工藝參數(shù)同步。因此,本論文從聚合物剛性主鏈和柔性側(cè)鏈的角度出發(fā),考慮到聚合物給體要與受體滿足能級匹配、吸收光譜互補、共混膜具有良好的聚集和形貌等要求。選擇了具有良好給電子能力和較大共軛面的苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)作為給電子單元,與5,6-二氟苯并[d][1,2,3]三氮唑(FBTA)以及新合成的二噻吩并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-d']三噻吩(DTBTT)等缺電子單元共聚,合成了一系列寬帶隙(WBG)共軛聚合物,有望通過精細的側(cè)鏈調(diào)節(jié)工程以及擴展聚合物給體骨架的π-共軛體系來提高光伏性能。在第二章和第三章,分別將2-烷硫基-3-烷基噻吩基或雙烷硫基噻吩基引入到BDT的主鏈上作為第一組份,缺電子單元FBTA作為第二組分,烷基噻吩基取代的BDT作為第三組分,通過調(diào)控這兩個體系中3種單體的比例,合成了2-烷硫基-3-烷基側(cè)鏈取代的聚合物PBDT-AST45、PBDT-AST55、PBDT-AST65、PBDT-AST;雙烷硫基側(cè)鏈取代的聚合物PBDT-DST45、PBDT-DST55、PBDT-DST65、PBDT-DST,為了對比研究,同時合成了不含烷硫基側(cè)鏈的聚合物PBDT-T。綜合比較證明,烷硫基的引入可以有效降低最高占據(jù)分子軌道能級(E_(HOMO)),從而提升開路電壓(Voc),其中基于PBDT-AST65/ITIC和PBDT-DST55/ITIC的器件實現(xiàn)了最高的Voc(0.98 V),相較于PBDT-T/ITIC基器件,Voc提升了6%(0.92~0.98V)。同時,發(fā)現(xiàn)烷硫基的引入可以有效增強聚合物骨架的π-π堆積性能,進而在聚合物骨架和側(cè)鏈間形成了更有序的結(jié)構(gòu),大大改善了電荷傳輸性能。最終結(jié)果顯示,基于PBDT-AST65/ITIC的器件獲得了了最佳的光伏性能,其能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)為5.76%,V_(OC)為0.98 V,短路電流密度(J_(SC))為12.38 mA cm~(-2),填充因子(FF)為47.80%。相較于不含硫原子的PBDT-T,其PCE提高了14%(4.98%~5.76%)。可見,聚合物中引入烷硫基對提高WBG給體材料的PCE有很大幫助。在第四章,通過擴展苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-d']三噻吩(BTT)單元的π-共軛體系,合成了DTBTT單元,為了研究延伸共軛體系的影響,利用烷基噻吩基取代的苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩雙錫(BDT-TSn)與酰基取代的二溴化物DTBTTBr_2及BTTBr_2偶聯(lián)制備合成了兩個BDT基WBG共軛聚合物PBDT-DTBTT和PBDT-BTT。比較結(jié)果表明,DTBTT單元中共軛長度的延伸和共軛面的擴大賦予聚合物更寬更強的吸收,更有序,平面性更好的分子構(gòu)型,進而使載流子遷移率顯著提高。PBDT-DTBTT/PC_(71)BM基器件的最佳PCE為2.73%,(V_(OC)=0.82 V,J_(SC)=6.29 mA cm~(-2),FF=52.45%),而對應(yīng)PBDT-BTT/PC_(71)BM的器件在相同實驗條件下的PCE為1.98%。說明共軛體系從BTT延伸至DTBTT后,PCE增加38%(1.98%~2.73%),這主要得益于吸收的改善和空穴遷移率的提高。由此證明擴展給體聚合物骨架的π-共軛體系是調(diào)整光學(xué)電子性質(zhì)并且提高WBG給體材料器件性能的有效策略。
【圖文】：

圖 1.1 有機太陽能電池工作原理[11]有機太陽能電池利用光伏效應(yīng)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)變。如圖 1.1 所示，其產(chǎn)生光伏效應(yīng)的程如下：(1)當(dāng)能量大于 HOMO-LUMO 能隙的光子照射光敏活性層時，電子受到激發(fā)，從高能量成鍵軌道(HOMO)躍遷到低能量反鍵軌道(LUMO)，形成電子-空穴對(激子)。(2)激子經(jīng)過擴散到達給體和受體異質(zhì)結(jié)界面，通常，激子的擴散長度(LD)受激子秒量級以下壽命的影響，一般為 10-20 nm 左右[12]。(3)擴散到界面處的激子通過內(nèi)建電場作用，，克服激子中電子-空穴對間的束縛力電子由給體 LUMO 轉(zhuǎn)移到受體 LUMO 上，空穴仍留在給體的 HOMO 上，形成電荷移。(4)電子和空穴對克服庫侖力，解離為自由移動的載流子，正負(fù)載流子分別在給體受體材料中經(jīng)過運輸?shù)竭_陽極和陰極，最后被電極收集形成光電流。1.1.2 聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)在有機太陽能電池的發(fā)展歷程中，器件結(jié)構(gòu)扮演了重要角色，從最初的單層器件

圖 1.2 有機太陽能電池結(jié)構(gòu)圖[13]件結(jié)構(gòu)圖 1.2(a)所示為傳統(tǒng)的正置器件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)自太陽光入射方向依次為TO)透明陽級；空穴傳輸層，一般為聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙T/PSS)，用于降低 ITO 的功函數(shù)；光敏活性層，用于吸收光子，解離激子；陰極界面修飾層，可調(diào)節(jié)活性層與陰極間的界面接觸，從而提升電輸性能；金屬陰極材料，一般采用 Al、Ag 等高功函金屬[13]。件結(jié)構(gòu)圖 1.2 (b)所示為倒置器件結(jié)構(gòu)，近年來，研究人員通過采用倒置結(jié)構(gòu)層進行處理提高了器件的穩(wěn)定性、使用壽命以及能量轉(zhuǎn)換效率[14]。其ITO 透明陰極；電子傳輸層(一般為 ZnO，Cs2CO 或 TiO2)；空穴傳輸層 或 MoO3)；金屬陽極(Au 或 Ag)。件結(jié)構(gòu)1.2(c)所示為疊層器件結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由不同帶隙的子電池堆積而成，因
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4;TQ317

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本文編號：2590125