基于聚合物材料太阳能电池的材料设计、器件构筑和形貌调控

发布时间：2019-11-04 10:00

【摘要】：本论文设计合成了一系列新型共轭半导体聚合物材料,研究了其分子结构和光电性能之间的联系,在有机光伏器件和有机场效应晶体管等方面的应用,特别是新型聚合物材料对有机太阳能电池活性层形貌的影响,主要研究内容如下:1.设计合成了一系列基于二维共轭侧链修饰苯并二噻吩(BDT)的新型给体-受体(D-A)型共轭聚合物,通过引入不同的受体单元,实现了对材料光学带隙和电学能级的灵活调节,同时通过优化聚合物的侧链类型有效调节了有机分子的主链共平面性和溶解性。利用这些新制备聚合物材料,实现了多体系聚合物-PCBM有机太阳能电池5.0-6.2%光电转换效率,同时最高开路电压达到1.0 V。这些高性能的宽带隙和窄带隙聚合物材料潜在上可应用于高效叠层电池的制备。2.探索二维共轭侧链和PCBM之间的分子间作用力,通过调控聚合物侧链中共轭侧链的密度,成功制备了全共轭侧链修饰的聚合物PTP8,实现了高性能的聚合物/低富勒烯太阳能电池,并深入研究了二维共轭侧链,聚合物的分子量,聚合物的分子取向结晶性,富勒烯分子的空间位阻对制备器件时富勒烯使用量的影响,为后期制备高性能高稳定性的廉价聚合物太阳能电池提供重要的实验路径和理论指导。3.发展了一种基于含共轭侧链聚合物PTP8的聚合物-聚合物非富勒烯体系的有机太阳能电池,通过在给体聚合物给体材料引入共轭侧链,将全聚合物太阳能电池的光电转换效率从2.0%提高到4.2%,进一步通过对聚合物受体材料结晶性的调整,优化聚合物-聚合物体异质结薄膜的形貌,实现了转换效率达到6.01%的全聚合物太阳能电池。结合二维X射线衍射和电子显微镜的形貌表征,为后期聚合物-聚合物的给受体材料的搭配提供了重要的理论指导。4.设计制备一系列高性能新型的含多元结构单元的D-A型聚合物,采用新颖的D1-A-D2-A和D1-D2-A-D2的分子结构(光电转换效率7.0-8.0%),实现了对聚合物材料光学性能和电学性能的精细调节,这种新型结构的聚合物材料可以实现高效和高热稳定(场效应晶体管退火温度达到300 oC)材料的制备,在减少有机太阳能电池能量损失和简化器件制备工艺(无需器件后处理)同样具有明显优势。同时我们揭示了这种多元组分聚合物结构在基于绿色溶剂制备的高性能有机太阳能电池方面的潜力。5.发展了一种基于共轭聚合物/无机纳米晶的有机无机杂化太阳能电池,通过合理的聚合分子设计,优化的材料的最高电子占有轨道(HOMO能级)以及和无机纳米晶材料相容性的问题,通过后期电池器件结构和有机-无机杂化薄膜形貌的优化,实现了聚合物/PbS量子点4.23%,聚合物/PbSxSe1-x量子点5.70%的光电转换效率,均为文献报道此类型电池的最优性能参数。通过本论文的研究,在发展新型结构的有机半导体材料,在器件制备工艺、形貌优化和光物理化学过程等关键科学与技术问题上有所突破,形成具有自主知识产权的关键技术和研究成果。
【图文】：

Figure 1.1 Efficiency roadmap of solar cells certified by NREL.图 1.1 美国可再生能源实验室认证的太阳能电池效率进展图。作为第三代太阳能电池的代表，有机聚合物太阳能的电池发展时间最为悠久从 1995 美国圣塔芭芭拉分校 Alan Heeger 教授等人首次报道以来[2]，聚合物太阳能电池已经经历了 20 年的发展，因具有重量轻、成本低以及可以制成柔性大面积器件等突出优点，聚合物太阳能电池成为近 20 年来新型太阳能电池的研究热点，，其最高能量转化效率已经达到 10%的商业化发展门槛[19-25]。但是相对于无机半导体

基于聚合物材料太阳能电池的材料设计、器件构筑和形貌调控 第一部分 绪论 光活性层材料的改进。尤其是共轭聚合物材料性能的改进是聚合物太阳能电池研究的一个重点。近年来，大量用于光敏活性层的共轭聚合物材料被设计合成出来[4,28-30]，并被应用到光伏器件中，为研制高效率、可商业化的有机光伏电池打下了坚实的基础。2.2 聚合物太阳能电池的原理和结构2.2.1 聚合物太阳能电池结构常见的聚合物太阳能电池的基本器件结构分为正置和反置器件结构，如图 2.1所示。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4


本文编号：2555585