窄带隙有机光伏材料的合成及其器件研究

【摘要】：太阳能是取之不尽,用之不竭的清洁能源,在对太阳能利用中,太阳能电池作为直接有效利用太阳能的方式之一。因聚合物太阳能电池具有制备简单,成本低,质量轻,可大面积成膜、可制备成柔性器件并且可通过调控聚合物结构等优点,已受到广泛关注。本文对聚合物该类太阳能电池的研究近况作了较为详细的介绍,目前的研究已取得了一定成就,太阳能电池的能量转化率(PCE)已超过9%,但目前该类太阳能电池的吸收光谱与太阳光发射光谱不一致,使用寿命较短等有待解决的问题。因此本文设计了具有光谱红移,宽吸收光谱的有机光伏材料。将与受体PCBM共混后制备成本体异质结太阳能电池,并研究了它们的光电转换效率。 1.设计合成了侧链含有强吸电基团的丙二酸酯的噻吩受体单元dialkyl2-(thiophen-3-ylmethylene)malonate (DTM),并将其作为受体单元制备成给体-受体(D-A)结构的共轭聚合物,制备的该系列目标分子分解温度超过了300℃,表现出良好的热稳定性、深的HOMO能级,其中一个聚合物HOMO能级达到-5.55eV。同时考察了聚合物的带隙,第一个聚合物分子的带隙达到1.77eV,表明通过引入丙二酸酯,有效降低了聚合物的带隙。将聚合物给体与[6,6]-phenyl-C-71-butyric acid methyl ester(PC71BM)受体共混形成活性层,对含有该活性层的太阳能电池进行了一系列优化,分别考察了所使用的溶剂、添加剂种类和添加剂的量等因素。经过优化,最好的器件为含有P2聚合物成分的电池：PCE达到1.22%,Voc为0.70V,Jsc为4.5mA/cm2以及FF为38.8%. 2.通过合成苯并硒二唑4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5,6-bis(octyloxy)(BBT-BOBSDZ)受体单元,该受体单元具有强吸电作用,良好的溶解性,将它与4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene(BEHTBDT)交替共聚得到的共轭聚合物PBDTBSe(P4),测试了此聚合物的热学性质,该聚合物具有良好的热稳定性,分解温度超过了300℃,在紫外-可见光吸收谱图上,从288nm-700nm均表现出较强的吸收,展现了宽的吸收光谱,能与太阳光谱匹配,有利于太阳光的采集,此聚合物的化学带隙为1.99eV。将其与PC61BM([6,6]-phenyl C61-butyric acid methylester)共混制备了本体异质结电池,分别考察了添加剂的种类和添加剂的量等影响因素,并进行了因素优化。在最佳优化条件下制备的聚合物太阳能电池能量转换效率为：0.81%,其中开路电压达到0.63V,短路电流达到3.35mA/cm2,填充因子达到0.345。 【关键词】：聚合物太阳能电池 DTM 共轭聚合物 苯并[c][1 2 5]硒二唑 本体异质结
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 前言10-11
• 1.2 聚合物太阳能电池的发展11-12
• 1.3 有机光伏电池的基本理论12-14
• 1.4 太阳能电池的性能参数14-15
• 1.5 聚合物太阳能电池常见的材料15-22
• 1.5.1 聚噻吩类15-17
• 1.5.2 环戊并二噻吩类分子17-18
• 1.5.3 吡咯并吡咯二酮(DPP)18-19
• 1.5.4 噻吩并吡咯二酮19-20
• 1.5.5 噻吩并噻吩类化合物20
• 1.5.6 苯并噻二唑及其同系物20-21
• 1.5.7 喹喔啉类21-22
• 1.6 器件的制备22-24
• 1.6.1 聚合物太阳能电池的湿法加工22
• 1.6.2 聚合物的太阳能电池的制备22-24
• 第二章 DTM与BDT制备的交替共聚物及其性能的表征24-43
• 2.1 引言24
• 2.2 实验部分24-26
• 2.2.1 原料与试剂24-25
• 2.2.2 主要实验仪器与设备25-26
• 2.2.3 器件的制备26
• 2.3 材料分子的合成26-30
• 2.3.1 单体的合成26-29
• 2.3.2 聚合物的合成29-30
• 2.4 结果与讨论30-41
• 2.4.1 合成及表征30-31
• 2.4.2 聚合物的热学性质31-32
• 2.4.3 聚合物的光学性质32
• 2.4.4 电化学性质32-33
• 2.4.5 聚合物的光伏性33-37
• 2.4.6 三个聚合物光伏性能的比较37-38
• 2.4.7 对聚合物P_1,P_2和P_3的密度泛函数计算38-39
• 2.4.8 聚合物P_3开路电压的优化39-41
• 2.5 本章小结41-43
• 第三章 苯并硒二唑与BDT-噻吩烷基链的合成及表征43-54
• 3.1 引言43
• 3.2 实验部分43-47
• 3.2.1 实验药品43-44
• 3.2.2 所用仪器44-45
• 3.2.3 材料分子的合成45-47
• 3.3 结果与讨论47-53
• 3.3.1 合成及表征47-48
• 3.3.2 聚合物的光学性质48
• 3.3.3 聚合物的热学性质48-49
• 3.3.4 电化学性质49-50
• 3.3.5 聚合物的光伏性能50-53
• 3.4 小结53-54
• 第四章 结论与展望54-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-65
• 附录 研究生期间发表的论文65-67

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