基于苯并二噻吩骨架的聚合物给体材料的合成及光伏性能研究
发布时间：2020-12-10 23:46
能源是制约人类的生存与发展的重要因素之一,传统的石化能源一方面面临着能源枯竭的危机,另一方面在使用的同时也对环境造成了极大的污染。因此,人类必须开发和利用一些资源丰富、可再生且对环境友好的新能源以替代石化能源。在减缓传统石化能源枯竭危机的同时减少对环境的污染。在众多的可再生能源当中,太阳能是一种理想的资源丰富的可再生清洁能源,如何更加高效地利用太阳能已经成为了目前全球热点研究之一。有机太阳能电池是一种通过化学材料将光能转化为电能的装置,由于其具有质轻、柔性可弯曲以及可溶液加工等独特优势,使得有机太阳能电池受到学术界和产业界的广泛关注。光电转换效率是衡量有机太阳能电池性能的最重要参数,经过几十年的发展,有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）突破到了18%,已经到了产业化的黎明前夕。设计并合成新型的高性能有机光伏材料是进一步提高光电转换效率的主要途径之一,因此,有机光伏材料的分子结构与光伏器件性能之间的构效关系是本领域的研究热点之一。有机光伏材料根据给电子或接收电子能力的不同分为电子给体和电子受体。本论文主要围绕电子给体做了一些研究,第一部分工作是设计并合成了两种含有不同长度酯基的聚合物给...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
有机太阳能电池器件结构图
第1章绪论4图1-2光伏器件正向结构（a）、反向结构（b）以及叠层结构（c）单层有机太阳能电池器件制备工艺简单且成本低廉，是目前有机光伏领域内的研究热点。然而，单层电池器件由于目前已有的活性层材料对太阳光的吸收波长范围有限，导致单层器件对太阳光的利用程度并不高。基于此，研究人员提出了叠层器件的概念，它是指将吸收光谱互补的两个或多个子电池串联起来的器件结构。目前研究最为广泛的是双结串联叠层电池，其器件结构如图1-2（c）所示，位于下面的子电池称为底电池（又称前电池），一般选用宽带隙材料作为活性层[11,12,13]。位于上面的子电池称为顶电池（又称后电池），一般选用窄带隙材料作为活性层[14,15,16]。叠层器件能够最大限度地利用太阳光，提高光生载流子的数量，进而提高光伏器件性能，但是叠层器件的制备工艺也相对复杂。1.4有机太阳能电池的工作机理及光伏性能参数1.4.1有机太阳能电池的工作机理有机太阳能电池的工作原理可以归纳为五个基本物理过程（如图1-3所示），光吸收和激子的产生、激子扩散、激子解离、载流子传输以及电荷收集。具体阐述如下：
第1章绪论5图1-3有机太阳能电池工作原理光吸收和激子的产生：当入射光照射到活性层时，处于基态的电子会吸收能量大于其光学带隙（opticalbandgap，简称Egopt）的光子进而发生跃迁。分子吸收光后，电子从最高占据轨道（HOMO）跃迁至最低未占据轨道（LUMO），而在HOMO轨道上形成空穴。有机半导体材料的介电常数相对较小，光激发下，电子跃迁不能直接形成可自由移动的电子和空穴，而是产生具有库伦束缚作用的电子-空穴对，即激子。在早期研究的聚合物-富勒烯体系中，一般认为激子的产生主要源自于聚合物给体材料；而对于近些年发展迅速的非富勒烯体系，由于受体材料优异的吸收特性，在给体和受体材料中均可产生激子。太阳光的大部分能量都集中在可见光及近红外区域，因此，活性层材料的吸收光谱应当尽可能在这个区域并与太阳光的辐射光谱相匹配。激子扩散：由于有机材料的介电常数较小（约为2～4），因此有机材料中产生的激子属于强束缚力作用Frenkel激子[1]。相关研究表明，这种激子的束缚能大约为0.3-1eV[17]，因此，激子必须扩散到的异质结的界面处在给/受体材料能级差的驱动下才能发生解离。然而，由于有机材料中分子间的作用力比较小，分子的激发态是定域化的，也就是说激子通常是定域在临近的几个分子甚至是单个分子上的[18]，因此激子的扩散范围有限。研究表明，共轭聚合物中激子的扩散距离一般为10-20nm[19]，这就要求活性层中给/受体的相分离尺寸在20nm以内。此外，激子在有机材料中通常是以能量传输的方式进行输运的，激子在输运过程中会以辐射或非辐射的形式进行衰减，因此必须尽可能使激子在衰减之前就扩散到给/受体界面，否则就会发生复合[20,21]。激子解离：当激子扩散到给/受体材料界面处后，在给受/体材料能级差
本文编号：2909501
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
有机太阳能电池器件结构图
第1章绪论4图1-2光伏器件正向结构（a）、反向结构（b）以及叠层结构（c）单层有机太阳能电池器件制备工艺简单且成本低廉，是目前有机光伏领域内的研究热点。然而，单层电池器件由于目前已有的活性层材料对太阳光的吸收波长范围有限，导致单层器件对太阳光的利用程度并不高。基于此，研究人员提出了叠层器件的概念，它是指将吸收光谱互补的两个或多个子电池串联起来的器件结构。目前研究最为广泛的是双结串联叠层电池，其器件结构如图1-2（c）所示，位于下面的子电池称为底电池（又称前电池），一般选用宽带隙材料作为活性层[11,12,13]。位于上面的子电池称为顶电池（又称后电池），一般选用窄带隙材料作为活性层[14,15,16]。叠层器件能够最大限度地利用太阳光，提高光生载流子的数量，进而提高光伏器件性能，但是叠层器件的制备工艺也相对复杂。1.4有机太阳能电池的工作机理及光伏性能参数1.4.1有机太阳能电池的工作机理有机太阳能电池的工作原理可以归纳为五个基本物理过程（如图1-3所示），光吸收和激子的产生、激子扩散、激子解离、载流子传输以及电荷收集。具体阐述如下：
第1章绪论5图1-3有机太阳能电池工作原理光吸收和激子的产生：当入射光照射到活性层时，处于基态的电子会吸收能量大于其光学带隙（opticalbandgap，简称Egopt）的光子进而发生跃迁。分子吸收光后，电子从最高占据轨道（HOMO）跃迁至最低未占据轨道（LUMO），而在HOMO轨道上形成空穴。有机半导体材料的介电常数相对较小，光激发下，电子跃迁不能直接形成可自由移动的电子和空穴，而是产生具有库伦束缚作用的电子-空穴对，即激子。在早期研究的聚合物-富勒烯体系中，一般认为激子的产生主要源自于聚合物给体材料；而对于近些年发展迅速的非富勒烯体系，由于受体材料优异的吸收特性，在给体和受体材料中均可产生激子。太阳光的大部分能量都集中在可见光及近红外区域，因此，活性层材料的吸收光谱应当尽可能在这个区域并与太阳光的辐射光谱相匹配。激子扩散：由于有机材料的介电常数较小（约为2～4），因此有机材料中产生的激子属于强束缚力作用Frenkel激子[1]。相关研究表明，这种激子的束缚能大约为0.3-1eV[17]，因此，激子必须扩散到的异质结的界面处在给/受体材料能级差的驱动下才能发生解离。然而，由于有机材料中分子间的作用力比较小，分子的激发态是定域化的，也就是说激子通常是定域在临近的几个分子甚至是单个分子上的[18]，因此激子的扩散范围有限。研究表明，共轭聚合物中激子的扩散距离一般为10-20nm[19]，这就要求活性层中给/受体的相分离尺寸在20nm以内。此外，激子在有机材料中通常是以能量传输的方式进行输运的，激子在输运过程中会以辐射或非辐射的形式进行衰减，因此必须尽可能使激子在衰减之前就扩散到给/受体界面，否则就会发生复合[20,21]。激子解离：当激子扩散到给/受体材料界面处后，在给受/体材料能级差
本文编号：2909501
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