基于含卟啉基元聚合物的有机太阳能电池形貌调控及三元共混体系研究

发布时间：2020-04-09 09:02

【摘要】：有机太阳能电池的由来已久却发展坎坷,目前器件的效率、稳定性和工业投放生产等方面均面临瓶颈。但其具有可设计的活性层材料分子结构,质量轻,易制备,且可制成柔性或半透明器件等优点,经过世界各地科研人员的不懈努力,目前有机太阳能电池的单节器件能量转换效率已经突破16%,但这距离工业化生产的目标仍然较远。当前人们对有机太阳能电池的研究主要集中在新型活性层材料的开发与器件工艺的优化两方面。为了扩大卟啉在有机太阳能电池领域的应用,我们对两类含卟啉的新型聚合物给体材料进行了器件表征,通过在添加剂调控和三元共混器件方面进行创新,对基础器件进行了各种工艺和结构优化,并对它们的拓展应用进行了进一步研究。主要工作内容如下:1.对于新型聚合物给体材料PL1和PL2,我们表征了它们的光学性能、电化学性能和光伏性能,在此基础上,通过使用多种添加剂对基于聚合物PL1和PL2的二元活性层形貌进行了优化,后又采用混合添加剂的思路进一步提高了PL2的光伏性能,最终器件效率达到了6.71%。为更好的发挥PL2的优异性能,我们又选择了与PL2吸收互补且能级匹配的经典给体材料PBDB-T,将PL2引入到PBDB-T:PC_(71)BM体系中研究了三元共混有机太阳能电池的光伏性能,最终获得了7.88%的高效率。2.对于新型宽带隙聚合物给体材料PPor-I和PPor-II,由于卟啉的引入,调节了聚合物的能级和带隙,使光谱吸收增强,我们对它们的光学性能、电化学性能和光伏性能进行了研究,并采用DIO和NMP作为溶剂添加剂对基于PPor-I:PC_(71)BM和PPor-II:PC_(71)BM的活性层薄膜进行了形貌调控,使它们的器件效率分别提高到了3.77%和6.29%。为提高基于PPor-I:PC_(71)BM活性层薄膜的器件光伏性能,我们采用了几种DIO和NMP混合的比例对基于PPor-I:PC_(71)BM的活性层薄膜进行了形貌调控,使器件光电转换效率进一步提高到了5.36%,证实了混合添加剂的普适性。此外,我们还对基于PPor-II:PC_(71)BM不同厚度的活性层薄膜的器件光伏性能进行了研究,探讨了该体系器件的膜厚依赖性,令人意外的是,活性层膜厚达到210 nm时器件仍有5.79%的光电转换效率,有利于工业上卷对卷大规模生产。
【图文】：

有机太阳能电池,柔性

量急速增长同日益枯竭的化石能源之间的矛盾和短时期内大量消耗化石能源所带来的环境污染问题。解决人类这一全球性问题的唯一根本性途径便是寻找廉价易得、高效清洁的新型可再生能源将传统化石能源取而代之，太阳能因具有广泛分布、取之不尽用之不竭的特点，便成为了最佳选择。当前人类对太阳能的开发形式丰富多样，其中太阳能电池能实现直接将太阳能转化为电能储存并加以利用，所以是一种最方便直接的方式，数十年来受到了学术界和工业界的极大关注和研究投入。初期，研究人员主要致力于无机单晶硅太阳能电池的研究，后发展为多晶硅，光电转换效率得到了一定提升，并已应用于商业化生产。除此之外，目前研究开发较多的太阳能电池还包括无机半导体薄膜太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等。虽然晶硅太阳能电池生产工艺已经十分成熟，但由于生产成本难以降低、工业污染大等问题，所以大面积的推广应用仍不是十分理想。相比之下，有机太阳能电池具有可设计的材料分子结构，质量轻，易制备，，且可制成柔性或半透明器件等优点，已经成为科研人员的研究热点，且发展非常迅速，光电转换效率不断得到突破[1]。

分类图,有机太阳能电池,有机半导体材料,活性层

图 1.2 有机太阳能电池分类图中(a)结构为单层有机太阳能电池，活性层为单一的有机半导体材料，该结构由于两极之间电场强度不足以驱动电荷分离和传输，所以光电转换效率低于0.1%；(b)结构为双层异质结有机太阳能电池，给受体材料分为上下两层夹于两极之间，给受体接触面的激子能克服束缚能形成电荷分离，但分离效率低且淬灭过多，所以器件效率偏低；(c)结构为目前普遍采纳的本体异质结结构，该结构活性层内部给受体材料得到充分混合，形成了纳米级的互穿网络，极大地增加了给受体接触面的面积，从而提高激子分离和电荷传输效率，使器件性能大幅提升，且由于制备工艺简单，已被广泛利用；(d)结构是基于本体异质结结构的叠层有机太阳能电池，是在两个或多个本体异质结活性层中间加入连接层构成串联或并联结构的器件，该结构最明显的优点是提高太阳光的利用率使器件效率得到提升，缺点是制作工艺复杂。1.2.3 有机太阳能电池的物理学基本原理
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TM914.4

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