窄带隙聚合物光电材料的光谱研究
发布时间：2020-04-01 02:59
【摘要】：随着人类社会的不断发展,能源枯竭、环境污染等问题日益严峻,寻找新型、无污染的可再生能源成为一个世界性的课题。太阳能以其几乎无尽的储量和干净环保等优点,成为解决能源危机时人们关注的热点。聚合物太阳能电池具有价格低廉、生产工艺相对简单、可以大面积制造等特点。同时,各种日益成熟的制备聚合物薄膜的方法也为电池的制备提供了有力的支持。然而,目前聚合物太阳能电池仍存在效率问题,如何利用具有窄带隙、宽吸收光谱的聚合物光电材料以提高电池效率是目前聚合物太阳能电池的一个研究重点。本文围绕两种新型窄带隙聚合物材料,利用光谱学的手段对窄带隙聚合物光电材料中的光物理过程进行研究,并有了初步的结果:(1)首先搭建了一套光学测试系统,可以测量样品的吸收光谱、光致吸收光谱、光致发光光谱。系统的光谱测试范围覆盖可见-红外光波,能够测量比较微弱的光信号。同时,用Labview编写程序实现对系统的自动控制与数据采集。(2)以窄带隙聚合物PBPT为给体,非富勒烯聚合物材料N2200为受体制备体异质结薄膜。PBPT具有较宽的吸收光谱,能捕获较多的太阳能量。PBPT与N2200的能级结构为电子从PBPT转移到N2200、空穴从N2200转移到PBPT提供了可能。用能量较高的447nm连续波激光与低于PBPT带隙的808nm连续波激光激发所得的光致吸收光谱中,均存在红外活性振动模。结合发光光谱中的淬灭现象,验证了混合薄膜中的电荷转移过程。对混合薄膜进行不同温度的退火处理,并对退火后的薄膜进行了 PL、PA以及Urbach能量对比及分析。实验结果显示,在适度退火以增加聚合物薄膜的结晶度的情况下,如何有效的控制和减少缺陷态是提高相应光电池效率的关键。(3)以窄带隙聚合物PTP8为给体,分别用N2200与PCBM作为受体材料,制备体异质结薄膜。测量PTP8/N2200、PTP8/PCBM混合薄膜光致发光光谱、光致吸收光谱,分析比较其中反映的光学过程。实验结果显示,在光激发下混合薄膜中存在PTP8空穴极化子,但是PTP8向N2200的电荷转移效率较低。虽然N2200对近红外光有较强的吸收,但是由于PTP8向N2200的低电荷转移效率,吸收的太阳光能量不能有效地转变为自由载流子,导致PTP8/N2200比PTP8/PCBM所对应的太阳能电池效率低。实验结果显示,对于不同给体材料,应选用合适的受体材料以获得较高的电荷转移效率。该结果对PTP8窄带隙聚合物太阳能电池的研发提供参考意见。
【图文】：
组成单元共轭化合物是指由互相平行的Ｐ轨道所形成７１键的不饱和化合物。碳是有机聚逡逑合物材料中最为重要的元素，基态碳原子核外电子结构可表示为ｌｓ２２ｓ２２ｐ２。相邻碳原子逡逑通过共享电子结合为分子，可通过杂化轨道来解释该成键原理。如图１．１邋（ａ）所示，在逡逑碳原子最外层的电子中，两个ｓ轨道上的电子为成对出现的，ｐ轨道电子是单独出现的。逡逑成键时，，２ｓ轨道中的一个电子被激发到２ｐ的空轨道中，如图１．１邋（ｂ）所示，得到处于逡逑２ｓ、２ｐｘ、２ｐｙ、２ｐｚ四个轨道上未成对电子。逡逑＾邋Ｅｉｎｎｎｃ逡逑Ｉｓ邋２ｓ邋２ｐｘ邋２ｐｙ邋２ｐｚ逡逑㈨［0］□□□［逡逑Ｉｓ逦２ｓ邋２ｐｘ邋２ｐｙ邋２ｐｚ逡逑图１．１碳原子成键前后的电子排布（ａ）基态碳原子中的电子排布；（ｂ）杂化碳原子中的电子排布。逡逑传统聚合物中的碳原子成键形式为ｓｐ３杂化，这种成键方式是指碳原子的２ｓ轨道中逡逑一个电子与２ｐ轨道中三个电子发生杂化，此时的四个成键轨道具有２５％ｓ轨道的特性，逡逑７５％ｐ轨道的特性。所形成的四个简并轨道成空间对称的四面体结构，能量相同。ｓｐ３杂逡逑化时，相邻原子之间形成ｃｒ键，所有价电子均处于共价键束缚中，没有可移动的自由电逡逑子。逡逑共轭聚合物中的成键方式为ｓｐ２杂化，如图１．２邋（ａ）所示，一个２ｓ轨道中的电子与逡逑两个２ｐ轨道中的电子结合
的两个原子轨道叠加而成，两原子核间电子的概率密度变小，其能量比之前原子轨道能逡逑量高，不利于化学成键，为反键轨道。由于能量差异，电子将优先进入成键轨道，然后逡逑再进入反键轨道。图１．３展示了共轭聚合物的成键轨道与反键轨道结构图。逡逑0＊轨道－］逡逑ｎ逦卜反键轨道逡逑７１＊轨道Ｊ逡逑ｒ逡逑Ｓ逦丨光激发逡逑伞邋１逡逑芤轨道１逡逑Ｔ逦＾成键轨道逡逑逦逦。轨道Ｊ逡逑图１．３共轭聚合物分子成键和反键能级结构逡逑７：键化学键强度相对ａ键弱很多，因而其电子能量较高，占据成键轨道中高能级轨道逡逑（ＨｉｇｈｅｓｔＯｃｃｕｐｉｅｄＭｏｌｅｃｕｌａｒＯｒｂｉｔａｌ，ＨＯＭＯ邋能级）。７ｔ＊轨道占据最低空置轨道（Ｌｏｗｅｓｔ逡逑Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ邋Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋Ｏｒｂｉｔａｌ，ＬＵＭＯ能级）。当有机共辄聚合物受至！］一定频率的光激逡逑发时，如图１．３所示，将发生从７１轨道跃向７１＊轨道的光学跃迁。该７Ｔ－７Ｔ＊跃迁能隙范围主要逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ317;TB34
本文编号：2609920
【图文】：
组成单元共轭化合物是指由互相平行的Ｐ轨道所形成７１键的不饱和化合物。碳是有机聚逡逑合物材料中最为重要的元素，基态碳原子核外电子结构可表示为ｌｓ２２ｓ２２ｐ２。相邻碳原子逡逑通过共享电子结合为分子，可通过杂化轨道来解释该成键原理。如图１．１邋（ａ）所示，在逡逑碳原子最外层的电子中，两个ｓ轨道上的电子为成对出现的，ｐ轨道电子是单独出现的。逡逑成键时，，２ｓ轨道中的一个电子被激发到２ｐ的空轨道中，如图１．１邋（ｂ）所示，得到处于逡逑２ｓ、２ｐｘ、２ｐｙ、２ｐｚ四个轨道上未成对电子。逡逑＾邋Ｅｉｎｎｎｃ逡逑Ｉｓ邋２ｓ邋２ｐｘ邋２ｐｙ邋２ｐｚ逡逑㈨［0］□□□［逡逑Ｉｓ逦２ｓ邋２ｐｘ邋２ｐｙ邋２ｐｚ逡逑图１．１碳原子成键前后的电子排布（ａ）基态碳原子中的电子排布；（ｂ）杂化碳原子中的电子排布。逡逑传统聚合物中的碳原子成键形式为ｓｐ３杂化，这种成键方式是指碳原子的２ｓ轨道中逡逑一个电子与２ｐ轨道中三个电子发生杂化，此时的四个成键轨道具有２５％ｓ轨道的特性，逡逑７５％ｐ轨道的特性。所形成的四个简并轨道成空间对称的四面体结构，能量相同。ｓｐ３杂逡逑化时，相邻原子之间形成ｃｒ键，所有价电子均处于共价键束缚中，没有可移动的自由电逡逑子。逡逑共轭聚合物中的成键方式为ｓｐ２杂化，如图１．２邋（ａ）所示，一个２ｓ轨道中的电子与逡逑两个２ｐ轨道中的电子结合
的两个原子轨道叠加而成，两原子核间电子的概率密度变小，其能量比之前原子轨道能逡逑量高，不利于化学成键，为反键轨道。由于能量差异，电子将优先进入成键轨道，然后逡逑再进入反键轨道。图１．３展示了共轭聚合物的成键轨道与反键轨道结构图。逡逑0＊轨道－］逡逑ｎ逦卜反键轨道逡逑７１＊轨道Ｊ逡逑ｒ逡逑Ｓ逦丨光激发逡逑伞邋１逡逑芤轨道１逡逑Ｔ逦＾成键轨道逡逑逦逦。轨道Ｊ逡逑图１．３共轭聚合物分子成键和反键能级结构逡逑７：键化学键强度相对ａ键弱很多，因而其电子能量较高，占据成键轨道中高能级轨道逡逑（ＨｉｇｈｅｓｔＯｃｃｕｐｉｅｄＭｏｌｅｃｕｌａｒＯｒｂｉｔａｌ，ＨＯＭＯ邋能级）。７ｔ＊轨道占据最低空置轨道（Ｌｏｗｅｓｔ逡逑Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ邋Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋Ｏｒｂｉｔａｌ，ＬＵＭＯ能级）。当有机共辄聚合物受至！］一定频率的光激逡逑发时，如图１．３所示，将发生从７１轨道跃向７１＊轨道的光学跃迁。该７Ｔ－７Ｔ＊跃迁能隙范围主要逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ317;TB34
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 葛爱明;王巍;;基于光的回归反射技术提高LED外量子效率的研究[J];照明工程学报;2010年05期
本文编号：2609920
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