本論文著重介紹了本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)聚合物太陽能電池(PSCs)的工作原理、光敏材料及器件的研究進(jìn)展。并綜述了BHJ PSCs中幾種具有代表性的聚合物電子給體材料及其研究現(xiàn)狀。在BHJ PSCs中,聚合物電子給體材料的分子能級、吸收光譜、溶解性、空穴遷移率及微相結(jié)構(gòu)等是影響能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)的重要因素。為此,本論文從調(diào)控共軛聚合物電子給體材料的分子能級、吸收光譜及微相結(jié)構(gòu)等方面出發(fā),設(shè)計(jì)并合成了一系列直鏈型、側(cè)鏈型及兩者結(jié)合的新型聚合物材料,并利用氣質(zhì)聯(lián)用、飛行質(zhì)譜及核磁共振氫譜和碳譜等檢測手段對所合成的中間產(chǎn)物和目標(biāo)聚合物進(jìn)行了表征。還通過紫外 可見吸收光譜(UV Vis)和循環(huán)伏安法(CV)測試了目標(biāo)聚合物的光物理性質(zhì)和電化學(xué)性能,同時(shí)并研究了基于目標(biāo)聚合物為電子給體的BHJ PSCs的光伏性能。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)以吡咯并[3,4-c]吡咯二酮(DPP)為電子受體單元及不對稱的4-(2-乙基己氧基)-8-(2-乙基己巰氧基)苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(SOBDT)或?qū)ΨQ的4,8-二(2-乙基己巰基)苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(DSBDT)為電子給體單元的共軛聚合物(PSOBDT DPP和PDSBDT DPP)。詳細(xì)研究了其烷巰基數(shù)量的不同及其分子對稱性的差異對目標(biāo)共聚物的光物理性質(zhì)、電化學(xué)及光伏性能的影響。研究表明,含對稱單元DSBDT的聚合物PDSBDT DPP表現(xiàn)出了較低的HOMO能級,有利于得到較高的開路電壓(Voc)。由于聚合物在常用有機(jī)溶劑中的溶解性較差,基于聚合物PSOBDT DPP或PDSBDT DPP為電子給體和PC61BM為電子受體的BHJ PSCs的PCE值分別為0.42%和0.73%。2.為了避免聚合物PSOBDT DPP溶解性較差和分子HOMO能級較高的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)基于不對稱單元SOBDT為給體單元及兩個(gè)不同的共軛側(cè)鏈5,6-二氟-4,7-二(4-(2-乙基己基)噻吩-2-基)-苯并[c][1,2,5]噻二唑(DTffBT)或6-(噻吩-2-基)-二(2-乙基己基)異靛(TID)為受體單元的側(cè)鏈型共軛聚合物PSOBDT FBT和PSOBDT TID,并研究了不同共軛側(cè)鏈對聚合物的溶解性、光物理性質(zhì)、電化學(xué)和光伏性能的影響。研究表明,兩個(gè)側(cè)鏈型共軛聚合物都表現(xiàn)出了良好的溶解性、熱穩(wěn)定性、成膜性及低的HOMO能級。相比于聚合物PSOBDT TID,含DTffBT側(cè)鏈單元的聚合物PSOBDT FBT展現(xiàn)出了更低的HOMO能級及與受體分子共混后更好的微觀相態(tài)。基于PSOBDT FBT/PC61BM(1/2,w/w)和PSOBDT TID/PC61BM(1/2,w/w)的BHJ PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率分別為4.4%和2.2%。而基于PSOBDT FBT/PC71BM(1/2,w/w)的BHJ PSCs,在同時(shí)增大開路電壓(Voc)和短路電流(Jsc)的基礎(chǔ)上,其光電轉(zhuǎn)換效率也提升到了5.0%。這一結(jié)果表明,不對稱富電子單元SOBDT應(yīng)用于給 受體型低能隙共軛聚合物太陽能電池中可獲得較好的光伏性能。3.針對上述側(cè)鏈型聚合物吸收光譜較窄的缺點(diǎn),通過在聚合物主鏈上引入受體單元苯并[c][1,2,5]噻二唑(BT)或苯并吡嗪(Q),設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)雙受體側(cè)鏈型共軛聚合物PBDT BT和PBDT Q。研究表明,相比于聚合物PSOBDT FBT,兩個(gè)聚合物的吸收光譜均稍有拓寬,有利于Jsc的增長。基于聚合物PBDT BT/PC61BM和PBDT Q/PC61BM的BHJ PSCs的PCE分別為1.70%和0.80%。而基于PBDT BT/PC71BM的BHJ PSCs,由于活性層的微觀相態(tài)的改善和IPCE響應(yīng)的增強(qiáng),其Jsc和填充因子(FF)均得到了增大,進(jìn)而將PCE值提升到了2.42%。4.設(shè)計(jì)并合成了三個(gè)基于9-(二(2-(2-乙基己基)-5-噻吩)-亞甲基)-芴(FDT)的共軛聚合物PFDT BT、PFDT DTBT和PFDT TTBT。在三個(gè)聚合物中,FDT為給體單元,BT為受體單元,并用0~2個(gè)噻吩橋連。在9,9-二烷基芴的基礎(chǔ)上,FDT延長了π共軛長度和增強(qiáng)了電子離域能力。研究表明,隨著橋連噻吩數(shù)量的依次增多,聚合物的吸收光譜和HOMO能級分別依次紅移和上升。基于聚合物PFDT BT、PFDT DTBT和PFDT TTBT為電子給體和PC61BM為電子受體的BHJ PSCs,其PCE值分別為0.16%、1.26%和1.37%。5.為了獲得具有寬吸收光譜和低HOMO能級的聚合物給體材料,設(shè)計(jì)并合成了一系列基于不同比例的DPP和噻吩-乙烯基-二噻吩苯并噻二唑(TVDTBT)側(cè)鏈為受體單元和苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)為給體單元的三元無規(guī)共聚物P1、P2和P3。研究表明,三個(gè)共聚物均有良好的熱穩(wěn)定性,且其吸收光譜均覆蓋了300~900 nm的范圍。從聚合物P1到P3,隨著TVDTBT側(cè)鏈單元含量的依次增多,聚合物分子的HOMO能級依次降低。由于共聚物P3具有寬而強(qiáng)的吸收光譜、低的HOMO能級( 5.47 eV)、較高的空穴遷移率和較好的微觀結(jié)構(gòu),基于聚合物P3的BHJ PSCs,在沒有添加任何處理劑的情況下,獲得了高達(dá)5.29%的PCE值。研究表明,三元無規(guī)共軛聚合物能同時(shí)增大PSCs的Jsc和Voc。這一合成策略為獲得高性能的聚合物太陽能電池提供了新思路。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：O631

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2825629