【摘要】：在當(dāng)今能源日益匱乏、環(huán)境日益惡化的大背景下,聚合物太陽(yáng)能電池作為有機(jī)電子學(xué)一個(gè)重要研究領(lǐng)域,成為當(dāng)今新能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。雖然與鈣鈦礦或傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池相比,聚合物太陽(yáng)能電池在效率方面存在一定差距,但由于其成本低、重量輕、柔韌、半透明等特性,推動(dòng)了光伏技術(shù)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了聚合物太陽(yáng)能電池的活性層,一是基于二噻并苯并二噻吩基團(tuán)合成了兩種聚合物給體材料,二是基于噻吩苯噻吩二螺芴基團(tuán)合成了兩種小分子受體材料。通過(guò)核磁和質(zhì)譜對(duì)其進(jìn)行了確認(rèn)和表征,并制備了聚合物太陽(yáng)能電池,研究了這些合成材料的光伏性能。其主要研究?jī)?nèi)容如下:1.二噻并苯并二噻吩基團(tuán)作為苯并二噻吩單元衍生物的一種,具有良好的平面性和更為出色的傳輸電子能力,易于在側(cè)基進(jìn)行修飾的特點(diǎn)。我們將其作為聚合物給電子單元(D),與作為缺電子單元(A)的BDD二錫進(jìn)行共聚,合成了PDBT-2F,PDBT-2Cl二種聚合物給體材料。通過(guò)在聚合物的噻吩烷基側(cè)基上引入雙氟和和雙氯原子,研究了這兩種鹵素原子對(duì)聚合物物理化學(xué)性能的影響,并比較了二者與不同受體材料共混后的光伏性能。最終以PDBT-2F為給體,IDIC為受體的聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了12.01%,而與IT-4F為受體的器件效率則達(dá)到了10.15%。這種高的光電轉(zhuǎn)換效率歸功于氟原子強(qiáng)的電負(fù)性,在降低了給體的HOMO能級(jí)的同時(shí),F-S/F-H的相互作用力增強(qiáng)了分子間的電荷的提取和轉(zhuǎn)移,有利于獲得更高的短路電流密度(J_(sc))。而以PDBT-2Cl為給體,IDIC或IT-4F為受體的聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有7.58%和6.54%,這是由于氯的原子半徑太大,導(dǎo)致整個(gè)分子由于側(cè)基的重原子效應(yīng)使得平面性變差,二面角的扭曲也使得分子的堆積變差,進(jìn)而影響到器件的效率。2.以噻吩苯噻吩二螺芴為給電子單元(D),以3-乙基繞丹寧和2-(1,1-二氰基亞甲基)繞丹寧(RCN)為第一受體單元(A1),以苯并[c][1,2,5]噻二唑(BT)為第二受體單元(A2),設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)A1-A2-D-A2-A1型的小分子受體DTFBT-1、DTFBT-2,并對(duì)二者的光物理、電化學(xué)和基于它們制備的器件光伏性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)以J71為給體材料,以DTFBT-1、DTFBT-2為受體材料的器件分別獲得了3.35%和4.40%光電轉(zhuǎn)換效率。而二者都獲得較高的開路電壓,分別為1.15 V和0.96 V。相比較于DTFBT-1,由于端基中氰基饒丹寧有更強(qiáng)的吸電子能力,DTFBT-2獲得了更高的短路電流密度J_(sc)(8.35 mA/cm~2)。
【圖文】：

的結(jié)構(gòu)和性能，以期獲得理想的具有高效率的有機(jī)太陽(yáng)能電池。 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池發(fā)展迅速，主要得益于活性層光伏給體和受體材發(fā)展。當(dāng)然，器件技術(shù)的成熟和新工藝的創(chuàng)新也使得電池器件光電轉(zhuǎn)換提高。從開始具有代表性的基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)[16, 17]給體材料、烯基體系為受體材料，到后來(lái)逐步以苯并二噻吩(BDT)為核心構(gòu)筑給基于非富勒烯基體系為受體的高效太陽(yáng)能電池，不但從效率上獲得逐步也從器件性能的穩(wěn)定性上獲得了一定的進(jìn)步[16, 18-23]�？傊�，OPV 隨著斷進(jìn)步和效率的不斷提高，其未來(lái)?yè)碛袕V闊的前景。.1 有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)與工作原理本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)太陽(yáng)能電池類型分為兩種典型的器件結(jié)構(gòu)，一種是正圖 1.1 左圖所示，另一種為反型器件如圖 1.1 右圖所示。

照射到電池上時(shí)，活性層的給體受體吸收光子形成激電子-空穴對(duì)，產(chǎn)生的條件是需要吸收光子的能量要產(chǎn)生的激子部分在受體和受體界面之間擴(kuò)散。在界面用，給體中的激子將電子轉(zhuǎn)移到受體，受體中的激子載分離。隨后通過(guò)負(fù)電極和正電極在電極/有機(jī)層之以形成光電流。因?yàn)楸倔w異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)層充滿的激子擴(kuò)散和激子電荷分離的效率大大提高。但同時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響，電荷載流子的遷移率表現(xiàn)不佳，，最終。整個(gè)電荷產(chǎn)生及轉(zhuǎn)移的過(guò)程大致可分為以下幾個(gè)形成激子；散到給受體界面；界面電荷分離；荷的傳輸；電極上收集。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM914.4;TQ317

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