自组装调控聚合物太阳能电池的微观形貌及其稳定性的研究

【摘要】：聚合物太阳能电池与商业化的硅太阳能电池相比，具有重量轻、价格低、可柔性衬底加工等优势而受到广泛关注。然而，聚合物太阳能电池的器件效率依然不够理想，因此在工业生产和商业化之前，其器件效率有待进一步提升。电池活性层的纳米级微观形貌是影响有机太阳能电池效率的关键因素之一。有序的纳米结构有利于激子的分离与传输，从而提高了器件的光电流和效率。另外考虑到太阳能电池长期在高温的阳光下运转，提高器件的稳定性也非常重要。此外，盘状液晶分子因自组装形成柱状结构而具有超高的电荷传输性能，开展利用其优越的自组装性能来调控有机太阳能电池的微观结构，可以获得纳米尺寸的微相分离，从而提高电池的光电转换效率。 首先，我们设计并合成了一种新型的盘状液晶配体TP-S来修饰ZnO纳米粒子，并将修饰的TP-S@ZnO复合材料与P3HT作为活性层，应用到杂化太阳能电池中。TP-S修饰的ZnO纳米粒子具有优越的分散性，特别是在热退火后，主要源于TP-S盘子的超分子自组装功能。TP-S配体能够有效地改善P3HT聚合物和ZnO粒子之间的相容性，这有利于电荷的分离和传输。另一方面，界面修饰分子TP-S对P3HT链的有序性和结晶性也起了重要的作用。X射线衍射和广角X射线散射测试结果表明了TP-S的自组装能够促进P3HT链在活性层中形成高度有序的薄层结构。总而言之，通过TP-S修饰ZnO表面并在热处理后，其杂化太阳能电池的能量转换效率从0.46%提升到0.95%。因此，通过盘状液晶分子界面修饰来调控聚合物与纳米晶之间的相容性，提高光电器件的性能，是一种可行并且有效的途径。 然后，为了调控聚合物组装形成纳米纤维形貌以提高电荷传输性能，本文还合成了一种新型的盘状液晶功能化的嵌段聚噻吩聚合物(P3HT-b-P3TPT)。通过原子力显微镜和透射电镜研究了这些聚合物的自组装结构。这些纳米结构的结晶尺寸可以通过调控P3HT/P3TPT段的比例以及使用不同的退火处理，如热退火和溶剂退火。X射线衍射结果表明了这些聚合物组装的纳米结构与分子作用和液晶取向相关联。当P3HT/P3TPT的比例为6/1且在溶剂退火和热退火后，其纳米纤维的结晶尺度达到了16.9nm。另外，我们还研究了液晶聚合物P3HT-b-P3TPT与不同的受体(富勒烯衍生物PCBM和盘状液晶小分子PDI)组成的活性层的形貌对于器件性能的影响。基于P3HT-b-P3TPT:PCBM的器件效率都比较低，这主要归因于P3HT-b-P3TPT和PCBM之间存在大尺寸的相分离。而PDI替代PCBM作为受体时，器件性能明显地提高了，这主要是因为接枝在P3HT上的盘状液晶TP和PDI盘状液晶分子之间存在π-π相互作用，有利于活性层自组装形成纳米级的相分离微观结构。 最后，考虑到太阳能电池长时间运转在高温环境下，提高太阳能电池的稳定性迫切需要。过去研究可通过引入交联基团在热或光的条件下交联形成稳定的网络结构，提高活性层形貌的稳定性，但它们都是只研究了单一的交联基团对形貌和稳定性的影响。本文设计了通过将不同的可交联基团乙烯基、叠氮基团和溴基团引进到窄带隙共聚物聚苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-alt-4,6-噻吩并[3,4-b]噻吩(PBT)侧链上，在光照条件下交联，系统地研究不同的交联基团对太阳能电池的稳定性的影响。与乙烯基相比，叠氮基团和溴基团能很快交联并形成密集稳定的网络，其中溴基团的交联效果更明显，这主要归因于各种交联基团的交联机制和交联速率不一样。实验结果发现，没有交联的标样(PBT:PCBM)在150oC退火80h后，其器件效率降低到原始效率的10%，而基于溴基团和叠氮基团交联的器件(PBT-Br:PCBM和PBT-N3:PCBM)分别能够很好地保持原始效率的78%和66%，乙烯基交联(PBT-vinyl:PCBM)的效果也能维持它的51%的原始效率。这表明了高密度的交联网络是提高器件热稳定性并且保持良好性能的有效方法。 【关键词】：聚合物太阳能电池 盘状液晶 微观形貌 自组装 稳定性
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O631.2;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-30
• 1.1 前言11
• 1.2 聚合物薄膜太阳能电池11-28
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的机理11-12
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的器件结构12-14
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的性能参数14-15
• 1.2.4 聚合物太阳能电池的微观形貌15-23
• 1.2.5 聚合物太阳能电池的稳定性23-28
• 1.3 本课题提出的意义以及研究内容28-30
• 第2章 盘状液晶配体诱导取向调控 P3HT/ZnO 杂化太阳能电池的微观形貌30-44
• 2.1 前言30-31
• 2.2 实验部分31-34
• 2.2.1 实验原料31-32
• 2.2.2 实验仪器32
• 2.2.3 材料的合成32-34
• 2.3 结构与讨论34-42
• 2.3.1 盘状液晶配体 TP-S 的光电性质和液晶性34-35
• 2.3.2 TP-S@ZnO 的结构表征35-36
• 2.3.3 TP-S@ZnO 的微观形貌36-37
• 2.3.4 P3HT/TP-S@ZnO 的光学性能37-39
• 2.3.5 P3HT/TP-S@ZnO 的结晶性及其微观形貌39-41
• 2.3.6 P3HT/TP-S@ZnO 的器件性能41-42
• 2.4 结论42-44
• 第3章 侧链盘状液晶嵌段聚噻吩的自组装形貌及其器件性能研究44-60
• 3.1 引言44-45
• 3.2 实验部分45-48
• 3.2.1 实验原料45-46
• 3.2.2 实验仪器46
• 3.2.3 材料的合成46-48
• 3.3 结果和讨论48-59
• 3.3.1 聚合物 P3HT-b-P3TPT 的合成及结构表征48-49
• 3.3.2 聚合物 P3HT-b-P3TPT 的液晶性能49-50
• 3.3.3 聚合物 P3HT-b-P3TPT 的光学性能及结晶性50-53
• 3.3.4 聚合物 P3HT-b-P3TPT 的微观形貌53-55
• 3.3.5 P3HT-b-P3TPT/PCBM 的器件性能及其形貌55-57
• 3.3.6 P3HT-b-P3TPT/PDI 的器件性能及其形貌57-59
• 3.4 结论59-60
• 第4章 光交联基团对聚合物太阳能电池稳定性的影响60-76
• 4.1 引言60-61
• 4.2 实验部分61-64
• 4.2.1 实验原料61
• 4.2.2 实验仪器61-62
• 4.2.3 交联实验62
• 4.2.4 材料的合成62-64
• 4.3 结果与讨论64-74
• 4.3.1 光交联聚合物的结构表征及热稳定性64-66
• 4.3.2 光交联聚合物的交联测试66-67
• 4.3.3 光交联聚合物的光电性能67-69
• 4.3.4 光交联聚合物的结晶性69-70
• 4.3.5 光交联对活性层形貌稳定性的影响70-73
• 4.3.6 光交联对器件性能稳定性的影响73-74
• 4.4 结论74-76
• 第5章 结论与展望76-78
• 5.1 结论76-77
• 5.2 展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-87
• 攻读学位期间的研究成果87

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

对称型苯并菲盘状液晶研究进展    唐久进;郭人民;李建;安忠维;

氢键稳定的含酰胺基的盘状液晶研究进展    赵可清;余文浩;汪必琴;胡平;

盘状液晶中间体单羟基苯并菲简便合成    赵可清;杨高帆;余文浩;汪必琴;胡平;

盘状液晶的性能及应用    王学智;王秀峰;

盘状液晶材料的研究进展    陈树森;李田;赵达慧;

盘状液晶研究新进展    谢恩丽

盘状液晶材料(1)聚集态结构及分子工程    王涛,周恩乐

盘状液晶材料(2)准一维物理性能的研究    王涛,周恩乐

苯丙炔酸和苯丙烯酸酯苯并菲盘状液晶电荷传输的理论研究    黄杵睿;陈俊蓉;徐布一;李权;赵可清;

点击化学合成盘-棒-盘状液晶三聚体    余文浩;聂士常;白跃峰;景阳;汪必琴;胡平;赵可清;

垂直取向对盘状液晶分子载流子迁移率的影响    赵瓛;何志群;张寅宁;穆林平;

含苯并菲盘状液晶聚炔的相结构    余振强;朱才镇;刘剑洪;Lam Jacky W.Y.;赵可清;唐本忠;

含咔唑基的新型杂环盘状液晶的合成与表征    白如科;李思琪;邹应芳;潘才元;谢萍;张榕本;

一种苯并菲盘状液晶的合成与表征    金召奎;张婉姝;汤建凯;王冬;杨槐;

咔唑-苯并菲盘状液晶多聚体    刘兆军;汪必琴;胡平;赵可清;

氢键和全氟烃链锚定苯并菲盘状液晶柱状相    余文浩;郭江泽;汪必琴;胡平;赵可清;

含氟酯链苯并菲盘状液晶分子的光电性质    毛焱;刘剑波;李权;赵可清;

点击反应合成吐昔烯-苯并菲盘状液晶齐聚物    袁玥;胡平;余文浩;汪必琴;赵可清;

一种乙炔作为连接基团的芘类盘状液晶的合成及其介晶性    李正强;李阳;崔青;王冬;海明潭;杨槐;

盘状液晶多聚体的合成及其自组装    白小燕;肖波;余文浩;曾庆祷;王琛;汪必琴;胡平;赵可清;

盘状液晶苯并菲类光电材料的合成及表征    孔翔飞

苯并菲类盘状液晶的合成以及应用研究    张春秀

苯并菲盘状液晶的合成与表征研究    唐久进

苯并菲类盘状液晶的合成及其性能研究    张寅宁

苯并菲盘状液晶的分子设计、合成及柱状相锚定    余文浩

手性苯并菲盘状液晶二聚体的合成以及光电导性能研究    张铭霞

吐昔烯盘状液晶分子的设计、合成及介晶性研究    李利利

含氟链不对称苯并菲盘状液晶合成及其介晶性    杨高帆

苯并菲盘状液晶二聚体的合成及其介晶性    冀虹

盘状液晶分子的结构和电学性能研究    王婷婷

半氟烃链苯并菲盘状液晶的合成及其介晶性    陈红梅

新型盘状及非常规棒状分子的合成及液晶性能研究    叶亚飞