噻并苯基宽带隙聚合物的合成及光伏性能的研究

发布时间：2020-03-19 10:46

【摘要】：在近几年中,有机聚合物太阳能电池(PSC)取得了快速发展,最先进的PSC的能量转换效率(PCE)已超过14%。为了设计高光伏性能的聚合物材料,其化学结构必须与工艺参数同步。因此,本论文从聚合物刚性主链和柔性侧链的角度出发,考虑到聚合物给体要与受体满足能级匹配、吸收光谱互补、共混膜具有良好的聚集和形貌等要求。选择了具有良好给电子能力和较大共轭面的苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)作为给电子单元,与5,6-二氟苯并[d][1,2,3]三氮唑(FBTA)以及新合成的二噻吩并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-d']三噻吩(DTBTT)等缺电子单元共聚,合成了一系列宽带隙(WBG)共轭聚合物,有望通过精细的侧链调节工程以及扩展聚合物给体骨架的π-共轭体系来提高光伏性能。在第二章和第三章,分别将2-烷硫基-3-烷基噻吩基或双烷硫基噻吩基引入到BDT的主链上作为第一组份,缺电子单元FBTA作为第二组分,烷基噻吩基取代的BDT作为第三组分,通过调控这两个体系中3种单体的比例,合成了2-烷硫基-3-烷基侧链取代的聚合物PBDT-AST45、PBDT-AST55、PBDT-AST65、PBDT-AST;双烷硫基侧链取代的聚合物PBDT-DST45、PBDT-DST55、PBDT-DST65、PBDT-DST,为了对比研究,同时合成了不含烷硫基侧链的聚合物PBDT-T。综合比较证明,烷硫基的引入可以有效降低最高占据分子轨道能级(E_(HOMO)),从而提升开路电压(Voc),其中基于PBDT-AST65/ITIC和PBDT-DST55/ITIC的器件实现了最高的Voc(0.98 V),相较于PBDT-T/ITIC基器件,Voc提升了6%(0.92~0.98V)。同时,发现烷硫基的引入可以有效增强聚合物骨架的π-π堆积性能,进而在聚合物骨架和侧链间形成了更有序的结构,大大改善了电荷传输性能。最终结果显示,基于PBDT-AST65/ITIC的器件获得了了最佳的光伏性能,其能量转换效率(PCE)为5.76%,V_(OC)为0.98 V,短路电流密度(J_(SC))为12.38 mA cm~(-2),填充因子(FF)为47.80%。相较于不含硫原子的PBDT-T,其PCE提高了14%(4.98%~5.76%)。可见,聚合物中引入烷硫基对提高WBG给体材料的PCE有很大帮助。在第四章,通过扩展苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-d']三噻吩(BTT)单元的π-共轭体系,合成了DTBTT单元,为了研究延伸共轭体系的影响,利用烷基噻吩基取代的苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩双锡(BDT-TSn)与酰基取代的二溴化物DTBTTBr_2及BTTBr_2偶联制备合成了两个BDT基WBG共轭聚合物PBDT-DTBTT和PBDT-BTT。比较结果表明,DTBTT单元中共轭长度的延伸和共轭面的扩大赋予聚合物更宽更强的吸收,更有序,平面性更好的分子构型,进而使载流子迁移率显著提高。PBDT-DTBTT/PC_(71)BM基器件的最佳PCE为2.73%,(V_(OC)=0.82 V,J_(SC)=6.29 mA cm~(-2),FF=52.45%),而对应PBDT-BTT/PC_(71)BM的器件在相同实验条件下的PCE为1.98%。说明共轭体系从BTT延伸至DTBTT后,PCE增加38%(1.98%~2.73%),这主要得益于吸收的改善和空穴迁移率的提高。由此证明扩展给体聚合物骨架的π-共轭体系是调整光学电子性质并且提高WBG给体材料器件性能的有效策略。
【图文】：

图 1.1 有机太阳能电池工作原理[11]有机太阳能电池利用光伏效应实现光电转变。如图 1.1 所示，其产生光伏效应的程如下：(1)当能量大于 HOMO-LUMO 能隙的光子照射光敏活性层时，电子受到激发，从高能量成键轨道(HOMO)跃迁到低能量反键轨道(LUMO)，形成电子-空穴对(激子)。(2)激子经过扩散到达给体和受体异质结界面，通常，激子的扩散长度(LD)受激子秒量级以下寿命的影响，一般为 10-20 nm 左右[12]。(3)扩散到界面处的激子通过内建电场作用，，克服激子中电子-空穴对间的束缚力电子由给体 LUMO 转移到受体 LUMO 上，空穴仍留在给体的 HOMO 上，形成电荷移。(4)电子和空穴对克服库仑力，解离为自由移动的载流子，正负载流子分别在给体受体材料中经过运输到达阳极和阴极，最后被电极收集形成光电流。1.1.2 聚合物太阳能电池结构在有机太阳能电池的发展历程中，器件结构扮演了重要角色，从最初的单层器件

图 1.2 有机太阳能电池结构图[13]件结构图 1.2(a)所示为传统的正置器件结构，其结构自太阳光入射方向依次为TO)透明阳级；空穴传输层，一般为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙T/PSS)，用于降低 ITO 的功函数；光敏活性层，用于吸收光子，解离激子；阴极界面修饰层，可调节活性层与阴极间的界面接触，从而提升电输性能；金属阴极材料，一般采用 Al、Ag 等高功函金属[13]。件结构图 1.2 (b)所示为倒置器件结构，近年来，研究人员通过采用倒置结构层进行处理提高了器件的稳定性、使用寿命以及能量转换效率[14]。其ITO 透明阴极；电子传输层(一般为 ZnO，Cs2CO 或 TiO2)；空穴传输层 或 MoO3)；金属阳极(Au 或 Ag)。件结构1.2(c)所示为叠层器件结构，此结构由不同带隙的子电池堆积而成，因
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TQ317

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 蔡小平;高璇;李静一;;聚合物薄膜耐放电性比较(摘要)[J];绝缘材料通讯;1987年05期

2 程若男;;一门古老而又年青的技术——高分子氟化[J];化工新型材料;1988年02期

3 王良御,刘永清,赵慧敏;液晶/聚合物复合显示膜电-光性质研究[J];仪器仪表学报;1989年01期

4 Hiroaki Odai ;周陈洪;;应用聚合物迟滞膜作STN-LCD的光学补偿[J];光电子学技术;1989年03期

5 李福秀;;新型电子材料——聚合物[J];今日科技;1989年08期

6 杨大本;;电子聚合物——高技术材料前沿之一[J];材料导报;1989年07期

7 唐舜英;储连江;潘仁云;周其云;袁惠根;;有机低分子物在聚合物中的渗透[J];合成树脂及塑料;1989年01期

8 任诠,王志刚,刘学敏,郭世义,牟晓东,许东,尚淑霞;测量聚合物薄膜厚度的一种简便方法[J];光电子·激光;1998年01期

9 林杨鸣;曲轶;于新红;韩艳春;;喷墨打印聚合物薄膜均匀性调控研究进展[J];应用化学;2018年02期

10 马伟;孙登明;;聚合物薄膜修饰电极的制备及应用[J];淮北煤炭师范学院学报(自然科学版);2005年04期

相关会议论文 前10条

1 高学喜;王文军;刘云龙;;偶氮聚合物薄膜的吸收谱和二次谐波产生的温度特性[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年

2 陈程;何天虎;;电活性聚合物薄膜的大变形分析[A];现代数学和力学(MMM-XI)：第十一届全国现代数学和力学学术会议论文集[C];2009年

3 温建忠;谢耩;汪国平;王建波;;聚合物薄膜表面大面积金属纳米颗粒的均匀沉积及其应用[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年

4 杨德才;EdwinL.Thomas;;制备高度取向超薄聚合物薄膜的新方法[A];第三次中国电子显微学会议论文摘要集（二）[C];1983年

5 曾雪锋;岳瑞峰;吴建刚;胡欢;董良;刘理天;;一种新型厌水性碳氟聚合物薄膜的制备[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年

6 方菲;张明志;张天禄;单繁立;;数字散斑相关方法在聚偏氟乙烯压电聚合物薄膜力学性能测试中的应用[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（上）[C];2005年

7 马於光;;电化学聚合制备高性能光电功能聚合物薄膜[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年

8 王宏波;金政;李晨明;王宇威;白续铎;;激光沉积碳纳米管聚合物薄膜的场发射性能[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集（上册）[C];2006年

9 叶佩弦;;有机聚合物薄膜的光学双稳研究[A];第二届光学前沿问题学术讨论会论文摘要集[C];1994年

10 马莉;陶杰;杨艳;;PVDF-PMMA聚合物薄膜电解质的制备和性能研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（4）[C];2007年

相关重要报纸文章 前1条

1 梓桦;聚合物薄膜修复破裂血管[N];医药经济报;2003年

相关博士学位论文 前10条

1 朱丹丹;基于氢键的自愈合聚合物和超疏水性自修复导电涂层的制备及性能研究[D];上海交通大学;2015年

2 李国瑞;介电高弹聚合物力电耦合调控与软体机器人研究[D];浙江大学;2019年

3 张欣雷;二维聚合物的设计、合成及其在能量转换领域中的应用研究[D];中国科学技术大学;2019年

4 李舒嘉;聚合物纳米复合物中动力学性质的分子动力学模拟研究[D];吉林大学;2019年

5 邓杲阳;富含杂原子的微孔聚合物设计合成及性能研究[D];大连理工大学;2018年

6 蒋友宇;稠环结构聚合物电池给受体材料的制备和光伏性能[D];武汉理工大学;2015年

7 郝明辉;具有不同光学带隙的聚合物太阳能电池给体材料的设计、合成及其光电性能研究[D];武汉大学;2015年

8 贾涛;基于萘并二酰亚胺的聚合物设计、合成及其在聚合物太阳电池中的应用[D];华南理工大学;2017年

9 张娜;单分子层共轭二维聚合物的合成与表征[D];中国科学技术大学;2018年

10 刘伯路;PVDF基铁电聚合物纳米结构物理特性研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 张晓芳;噻并苯基宽带隙聚合物的合成及光伏性能的研究[D];兰州交通大学;2019年

2 崔建玉;可交联的聚合物给/受体的合成及应用于全聚物太阳能电池的稳定性研究[D];福建师范大学;2018年

3 舒峗翌;聚合物薄膜表面微细结构粉末热辊压成形工艺研究[D];上海交通大学;2017年

4 白四兰;噻吩基共轭微孔聚合物的电化学合成及其性能研究[D];华南理工大学;2018年

5 张宏;苯并二呋喃-苯并二噻吩二酮系列聚合物的合成及光伏性质研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

6 陈守锷;基于多物理场耦合的介电高弹聚合物综合性能及典型应用研究[D];湖南大学;2018年

7 王钰宁;窄带隙聚合物光电材料的光谱研究[D];南京理工大学;2018年

8 孙建侠;氟取代P型共轭聚合物的设计合成及其在全聚合物太阳能电池中应用[D];苏州大学;2017年

9 穆兰;湿法制备高分辨率聚合物发光二极管显示屏及相关研究[D];华南理工大学;2018年

10 籍姣青;功能性偶氮聚合物的设计与合成[D];河北科技大学;2014年

本文编号：2590125