【摘要】：利用可再生且清潔的太陽能被認(rèn)為是幫助人類戰(zhàn)勝能源危機(jī)的最有效途徑之一。有機(jī)太陽能電池具有來源廣泛、制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低、質(zhì)量輕、可制成大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn)。在過去的20年里,通過新型有機(jī)半導(dǎo)體材料的開發(fā)與器件制備工藝的不斷優(yōu)化,有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了巨大的提升,目前單節(jié)有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過15%,疊層有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過17%,顯示出了巨大的應(yīng)用前景。為了實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步提升以及有機(jī)太陽能電池的最終商業(yè)化利用,活性層材料的設(shè)計(jì)與合成以及器件的制備與優(yōu)化仍然是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。第一部分工作中,我們課題組合成了三種基于雙氟苯并惡二唑(ffBX)的給體聚合物,并被命名為PffBX-T,PffBX-TT和PffBX-DTT,分別含有噻吩(T),噻吩并[3,2-b]噻吩(TT)和二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]噻吩(DTT)作為π-間隔基團(tuán)。溫度依賴吸收光譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)隨著π-間隔基團(tuán)尺寸變大,聚合物聚集強(qiáng)度按照PffBX-T,PffBX-TT和PffBX-DTT的順序增加。具有中等聚集強(qiáng)度的PffBX-TT能夠在電池活性層的制備過程中實(shí)現(xiàn)良好的無序-有序轉(zhuǎn)變,基于PffBX-TT:PC_(71)BM的有機(jī)太陽能電池獲得最佳的共混膜形態(tài)和最高光電轉(zhuǎn)化性能(9.10%),同時(shí)也發(fā)現(xiàn)活性層厚度可達(dá)250 nm。然而當(dāng)聚集強(qiáng)度更大的PffBX-DTT和偏小的PffBX-T分別利用PC_(71)BM作為受體材料制備有機(jī)太陽能電池時(shí),平均光電轉(zhuǎn)化效率分別降至6.54%和1.33%,性能下降主要是由于共混膜形成過程沒有得到良好控制的導(dǎo)致不太良好的共混膜形貌,從而致使短路電流密度減小。雖然基于PffBX-DTT和PffBX-T有機(jī)太陽能電池性能下降了,但是我們依舊得到了厚膜太陽能電池。當(dāng)使用非富勒烯IT-4F作為受體材料制備器件時(shí)也觀察到類似的器件性能趨勢(shì),所得到的器件也屬于厚膜太陽能電池。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明含有ffBX單元的聚合物是制備厚膜太陽能電池的有前途候選者。除此之外,這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明對(duì)于ffBX的聚合物體系,聚合物聚集強(qiáng)度調(diào)節(jié)對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳本體異質(zhì)結(jié)共混膜形態(tài)和高的器件性能是非常重要的。第二部分工作中,我們組開發(fā)了新型基于鄰苯二甲酰亞胺(PhI)的中等帶隙給體聚合物PhI-ffBT和ffPhI-ffBT,隨后將其用于制備非富勒烯有機(jī)太陽能電池并取得較高的效率。與迄今為止報(bào)道的所有高性能聚合物(全部是基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT))相比,PhI-ffBT和ffPhI-ffBT均不含BDT單元,且具有D-A1-D-A2型骨架。摻入第二受體單元雙氟苯并噻二唑(ffBT)后導(dǎo)致這些聚合物有低的HOMO能級(jí),顯示出與窄帶隙非富勒烯受體材料IT-4F互補(bǔ)的吸收和匹配的能級(jí)分布。通過系統(tǒng)的器件優(yōu)化工程,最終含有基于雙氟鄰苯二甲酰亞胺的聚合物ffPhI-ffBT的電池器件最高獲得12.74%光電轉(zhuǎn)化效率。與基于ffPhI-ffBT的裝置相比,基于鄰苯二甲酰亞胺的聚合物PhI-ffBT的電池器件顯示出進(jìn)一步增高的光電轉(zhuǎn)化效率(13.31%),值得一提的是,13.31%的效率是除了廣泛研究的基于BDT的聚合物外的最高值,并且在所有基于ffBT的聚合物中也是最高的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鄰苯二甲酰亞胺是極佳的用于構(gòu)建的高效率非富勒烯太陽能電池的構(gòu)建單元,D-A1-D-A2型聚合物分子骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略對(duì)于調(diào)節(jié)聚合物性能和提高光伏性能是非常有效的。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)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
【圖文】：

圖 1-1 常見有機(jī)太陽能電池器件結(jié)構(gòu)a) 單層肖特基結(jié)構(gòu) b) 雙層 D/A 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) c) D/A 本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) d) 疊層結(jié)構(gòu)前文已經(jīng)討論，有機(jī)太陽能電池活性層內(nèi)激子擴(kuò)散長(zhǎng)度僅有 10 20 nm，這導(dǎo)致在上圖 1-1a)與 b)兩種器件結(jié)構(gòu)下，大多數(shù)激子無法擴(kuò)散到異質(zhì)結(jié)表面實(shí)現(xiàn)載流子分離，從而導(dǎo)致效率較低[3, 25]。結(jié)構(gòu) c)是目前應(yīng)用最廣泛的有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)，在這種器件結(jié)構(gòu)下，給體與受體材料可以實(shí)現(xiàn)在活性層內(nèi)的充分共混，因此在活性層內(nèi)可以形成無數(shù)個(gè)給受體界面，使有機(jī)太陽能電池激子的分離可以發(fā)生在整個(gè)活性層內(nèi)，因此與上面的單層肖特基結(jié)構(gòu)與雙層 D/A 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)相比較，極大的提高了激子的解離率，使器件的效率和性能大大提高。最后一種疊層器件結(jié)構(gòu)是兩個(gè)或者多個(gè)本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池通過串聯(lián)或者并聯(lián)方式制備的，這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池可以最大限度的吸收太陽光譜，提高對(duì)太陽光的利用率；而且串聯(lián)結(jié)構(gòu)下疊層太陽能電池可以實(shí)現(xiàn)子前后子電池電壓的疊加，極大的提高器件的開路電壓，從而獲得較高的光電轉(zhuǎn)化效率，不過這種結(jié)構(gòu)存在制備工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)。除了上述的四種結(jié)構(gòu)外，最近一種名為 Layer-by-Layer 結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池也受到了廣泛的關(guān)注，這種結(jié)構(gòu)不同于雙層 D/A 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，Layer-by-Layer 結(jié)構(gòu)下的有機(jī)太陽能電池活性層可以形成 D/D:A/A 的組份分布，在這種結(jié)構(gòu)下的有機(jī)太陽能電池也

圖 1-2 基于本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池工作原理:（1）激子產(chǎn)生；（2）激子擴(kuò)散；（3）激子解離；（4）電荷移動(dòng)；（5）電荷提��；（6）電荷復(fù)合[27]。除了會(huì)導(dǎo)致效率下降的電荷復(fù)合過程，有機(jī)太陽能電池的光能到電能的轉(zhuǎn)化過程主要包括（1）激子產(chǎn)生（光吸收過程）；（2）激子擴(kuò)散；（3）激子解離（電荷的轉(zhuǎn)移和分離）；（4）電荷移動(dòng)；（5）電荷提�。姾杀徽�(fù)極收集）。第一步激子的產(chǎn)生是由于有機(jī)太陽能電池活性物質(zhì)吸收光后電子從HOMO能級(jí)跳躍到LUMO能級(jí)，在 HOMO 能級(jí)上產(chǎn)生空穴，LUMO 能級(jí)上的電子與 HOMO 能級(jí)上空穴通過庫侖作用束縛在一起形成電子-空穴對(duì)，被稱為激子。第二步是激子的擴(kuò)散過程，激子通過自由擴(kuò)散到達(dá)給/受體兩相界面處實(shí)現(xiàn)電荷的分離，由于有機(jī)太陽能電池內(nèi)激子的擴(kuò)散距離只有 10 20nm, 因此形成給/受體合適相分離尺寸的連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)是保障有機(jī)太陽能電池實(shí)現(xiàn)高效率的重要基礎(chǔ)。第三步激子在給體和受體材料兩相界面處分離，由于在有機(jī)太陽能電池內(nèi)光激發(fā)產(chǎn)生的 Frenkel 激子，激子結(jié)合能較大，單憑某個(gè)給體或者受體材料光照后產(chǎn)生的微弱內(nèi)建電場(chǎng)是無法實(shí)現(xiàn)激子的分離，只有當(dāng)激子擴(kuò)散至給體與受體材料界面處時(shí)，由于給體和受體之間的電子親和勢(shì)(electron affinity)的不同，該能級(jí)差就是實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽能電池激子分離的驅(qū)動(dòng)力。值得注意的是在激子的解離過程中還會(huì)形成電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(chargetransferstate)，

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文受體材料所行成的通道內(nèi)移動(dòng)，空穴在給體材料所形成的通電子向著低電勢(shì)的負(fù)極移動(dòng)，帶正電荷的空穴向著高電勢(shì)正負(fù)電荷分別被器件的正負(fù)極提取，由此行成了光伏效應(yīng)太陽能電池性能參數(shù)及其調(diào)控策略陽能電池的輸出特性大多用電流密度 電壓(J V)曲線來表

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本文編號(hào)：2778126