本論文簡述了聚合物太陽能電池（PSCs）的基本結構和工作原理,著重綜述了共軛聚合物給體材料和聚合物受體材料及光伏器件的研究進展。在本體異質結型聚合物太陽能電池（BHJ-PSCs）中,光活性材料的溶解性、吸光能力、分子能級、規(guī)整度和混合膜的形貌特征、電荷遷移能力以及器件結構等都會對電池的光伏性能產(chǎn)生重要影響。為此,我們設計合成了系列基于苯并二噻吩（BDT）和環(huán)戊二噻吩螺芴（STF）的聚合物給體材料以及基于萘并酰亞胺（NDI）的聚合物受體材料。通過核磁共振譜、飛行時間質譜等對所合成的中間產(chǎn)物及目標聚合物的結構進行了表征。采用紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）、循環(huán)伏安法（CV）、熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）等研究了聚合物光伏材料的光物理性能、電化學性能、熱穩(wěn)定性和結晶性能;采用原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）考察了活性層共混薄膜形貌特征;研究了基于所合成聚合物給體材料與富勒烯共混的BHJ-PSCs以及與聚合物受體材料共混的全聚合物太陽能電池（all-PSCs）的光伏性能;最后采用反向結構器件對一些高效聚合物的光伏性能進行了優(yōu)化。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.... 

【文章來源】：湘潭大學湖南省

【文章頁數(shù)】：135 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１太陽能電池的分類??

中使用面最廣且最成功的器件結構，器件效率已經(jīng)超過１〇％［２８］。與傳統(tǒng)的雙層器??件結構相比，ＢＨＪ器件最主要的作用是增加了光活性材料的接觸面積。??反向器件結構如圖１．２ｄ所示。常規(guī)的正向結構聚合物太陽能電池在大氣環(huán)境??使用中一個嚴重問題是容易受到空氣中的水汽、氧氣的侵蝕，最終導致器件的不??穩(wěn)定性和短暫的使用壽命。而反向器件結構由于活性層有利的垂直相分離和高功??函金屬（Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等）或金屬氧化物作為陽極頂電極，從而比雙層器件結構??和正向ＢＨＪ器件結構具有高的效率和空氣穩(wěn)定性。反向器件最高效率目前己經(jīng)超??過１３％冏。??串聯(lián)器件結構如圖１．２ｅ所示。傳統(tǒng)的〇ＳＣｓ器件都是設計寬帶隙或窄帶隙給體??材料結合富勒烯受體材料作為光活性層，它們都只能吸收少部分的太陽光，大部??分的太陽光都被反射或者熱輻射到周圍環(huán)境中去，為了解決這個問題，串聯(lián)結構??器件首先由Ｋｉｍ等學者提出并應用起來［２（）１，是由雙節(jié)或者多節(jié)太陽能電池通過連??接電極串聯(lián)或者平行構筑而成，節(jié)與節(jié)之間的光活性材料在吸收光譜上互補且能??級匹配。串聯(lián)有機太陽能電池的理論效率可高達約２１％，這可與傳統(tǒng)的高效無機??太陽能電池相媲美［３（）］。??＾?陽極?ｍ極??玻璃接底?玻璃？莊底?玻璃基底??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??「?丨＊”泛?＇??Ａ?你

聚合物太陽能電池的基本工作原理是利用太陽光入射到聚合物半導體的異??質結界面產(chǎn)生的光生伏打效應。盡管聚合物太陽能電池的光電流產(chǎn)生過程還有很??多爭論的地方，但一般認為如圖１．３所示，主要包括光的吸收與激子的形成、激??子的擴散、電荷分離、電荷的傳輸和電荷的收集［４］。??Ｄｏｎｏｒ?Ａｃｃｅｐｔｏｒ????Ｃａｔｈｏｄ??——ｎ??（１舴（２）??ＣＴ?（３Ｖ?ＳＣ?（４）?（５）??巾?１－｜Ｌ＾０．＾ｈｏｍｏ??圍減ｓｃ?Ｉ?１??Ａｎｏｄｅ??圖１．３聚合物太陽能電池的光電轉換過程??１．３．４聚合物太陽能電池性能的重要參數(shù)??描述不同類型聚合物太陽能電池性能必須在同一標準下表征。太陽能電池的??性能通常是在模擬太陽光光譜下表征。由于地球表面大氣層的影響，到達地面的??太陽光譜是不同的，所以科學界把ＡＭ?１．５太陽光譜定義為測試太陽能電池性能??的標準參考［３ｎ。聚合物太陽能電池性能的重要參數(shù)包括能量轉換效率、短路電??流密度（Ｊｒｃ）、開路電壓（Ｋｃ）、填充因子（ＦＦ）、入射單色光子－電子轉換效率??（ＩＰＣＥ）、串聯(lián)電阻（Ｒｓ）和并聯(lián)電阻（Ｒｓｈ）。??聚合物太陽能電池的能量轉換效率是由電池在標準ＡＭ?１．５的模擬太陽光下??測得的電流密度－電壓（．ＴＨＤ特性曲線計算得出的。ＰＳＣｓ的特性．／－Ｆ曲線如圖１．４??所示。ＰＣＥ值等于輸出功率（Ｐ＾Ｏ與輸入功率（Ｐｉｎ）的比值１４１，其數(shù)學表達公式??為：??ＰＣＥ?＊１００％＝?Ｖ〇ｃ?Ｘ?Ｊｓｃ?Ｘ?ＦＦ?＊１００％??Ｐｉ＂?Ｐｉｎ??ＰＣＥ值最能反映太陽能電池直觀性能

【參考文獻】：
期刊論文
[1]具有接近15%能量轉換效率的有機太陽能電池[J]. 崔勇,姚惠峰,楊晨熠,張少青,侯劍輝.  高分子學報. 2018(02)
[2]烷基鏈取代位置對二維苯并二噻吩類共軛聚合物光伏特性的影響（英文）[J]. 姚惠峰,葉龍,樊本虎,霍利軍,侯劍輝.  Science China Materials. 2015(03)

碩士論文
[1]基于吡咯并吡咯二酮、并噻吩的有機光伏材料的合成及性能研究[D]. 沈天培.湘潭大學 2015
[2]ZnO電子選擇層的制備方法對反向有機太陽能電池性能的影響[D]. 胡佳.蘇州大學 2013



本文編號：3423934