D-A型共轭聚合物光伏材料的合成和性能及器件优化研究
发布时间：2021-10-08 09:58
本论文简述了聚合物太阳能电池（PSCs）的基本结构和工作原理,着重综述了共轭聚合物给体材料和聚合物受体材料及光伏器件的研究进展。在本体异质结型聚合物太阳能电池（BHJ-PSCs）中,光活性材料的溶解性、吸光能力、分子能级、规整度和混合膜的形貌特征、电荷迁移能力以及器件结构等都会对电池的光伏性能产生重要影响。为此,我们设计合成了系列基于苯并二噻吩（BDT）和环戊二噻吩螺芴（STF）的聚合物给体材料以及基于萘并酰亚胺（NDI）的聚合物受体材料。通过核磁共振谱、飞行时间质谱等对所合成的中间产物及目标聚合物的结构进行了表征。采用紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、循环伏安法（CV）、热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）等研究了聚合物光伏材料的光物理性能、电化学性能、热稳定性和结晶性能;采用原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）考察了活性层共混薄膜形貌特征;研究了基于所合成聚合物给体材料与富勒烯共混的BHJ-PSCs以及与聚合物受体材料共混的全聚合物太阳能电池（all-PSCs）的光伏性能;最后采用反向结构器件对一些高效聚合物的光伏性能进行了优化。本论文的主要研究内容如下:1....
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１太阳能电池的分类??
中使用面最广且最成功的器件结构，器件效率已经超过１〇％［２８］。与传统的双层器??件结构相比，ＢＨＪ器件最主要的作用是增加了光活性材料的接触面积。??反向器件结构如图１．２ｄ所示。常规的正向结构聚合物太阳能电池在大气环境??使用中一个严重问题是容易受到空气中的水汽、氧气的侵蚀，最终导致器件的不??稳定性和短暂的使用寿命。而反向器件结构由于活性层有利的垂直相分离和高功??函金属（Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等）或金属氧化物作为阳极顶电极，从而比双层器件结构??和正向ＢＨＪ器件结构具有高的效率和空气稳定性。反向器件最高效率目前己经超??过１３％冏。??串联器件结构如图１．２ｅ所示。传统的〇ＳＣｓ器件都是设计宽带隙或窄带隙给体??材料结合富勒烯受体材料作为光活性层，它们都只能吸收少部分的太阳光，大部??分的太阳光都被反射或者热辐射到周围环境中去，为了解决这个问题，串联结构??器件首先由Ｋｉｍ等学者提出并应用起来［２（）１，是由双节或者多节太阳能电池通过连??接电极串联或者平行构筑而成，节与节之间的光活性材料在吸收光谱上互补且能??级匹配。串联有机太阳能电池的理论效率可高达约２１％，这可与传统的高效无机??太阳能电池相媲美［３（）］。??＾?阳极?ｍ极??玻璃接底?玻璃？莊底?玻璃基底??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??「?丨＊”泛?＇??Ａ?你
聚合物太阳能电池的基本工作原理是利用太阳光入射到聚合物半导体的异??质结界面产生的光生伏打效应。尽管聚合物太阳能电池的光电流产生过程还有很??多争论的地方，但一般认为如图１．３所示，主要包括光的吸收与激子的形成、激??子的扩散、电荷分离、电荷的传输和电荷的收集［４］。??Ｄｏｎｏｒ?Ａｃｃｅｐｔｏｒ????Ｃａｔｈｏｄ??——ｎ??（１舴（２）??ＣＴ?（３Ｖ?ＳＣ?（４）?（５）??巾?１－｜Ｌ＾０．＾ｈｏｍｏ??圍減ｓｃ?Ｉ?１??Ａｎｏｄｅ??图１．３聚合物太阳能电池的光电转换过程??１．３．４聚合物太阳能电池性能的重要参数??描述不同类型聚合物太阳能电池性能必须在同一标准下表征。太阳能电池的??性能通常是在模拟太阳光光谱下表征。由于地球表面大气层的影响，到达地面的??太阳光谱是不同的，所以科学界把ＡＭ?１．５太阳光谱定义为测试太阳能电池性能??的标准参考［３ｎ。聚合物太阳能电池性能的重要参数包括能量转换效率、短路电??流密度（Ｊｒｃ）、开路电压（Ｋｃ）、填充因子（ＦＦ）、入射单色光子－电子转换效率??（ＩＰＣＥ）、串联电阻（Ｒｓ）和并联电阻（Ｒｓｈ）。??聚合物太阳能电池的能量转换效率是由电池在标准ＡＭ?１．５的模拟太阳光下??测得的电流密度－电压（．ＴＨＤ特性曲线计算得出的。ＰＳＣｓ的特性．／－Ｆ曲线如图１．４??所示。ＰＣＥ值等于输出功率（Ｐ＾Ｏ与输入功率（Ｐｉｎ）的比值１４１，其数学表达公式??为：??ＰＣＥ?＊１００％＝?Ｖ〇ｃ?Ｘ?Ｊｓｃ?Ｘ?ＦＦ?＊１００％??Ｐｉ＂?Ｐｉｎ??ＰＣＥ值最能反映太阳能电池直观性能
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有接近15%能量转换效率的有机太阳能电池[J]. 崔勇,姚惠峰,杨晨熠,张少青,侯剑辉. 高分子学报. 2018(02)
[2]烷基链取代位置对二维苯并二噻吩类共轭聚合物光伏特性的影响（英文）[J]. 姚惠峰,叶龙,樊本虎,霍利军,侯剑辉. Science China Materials. 2015(03)
硕士论文
[1]基于吡咯并吡咯二酮、并噻吩的有机光伏材料的合成及性能研究[D]. 沈天培.湘潭大学 2015
[2]ZnO电子选择层的制备方法对反向有机太阳能电池性能的影响[D]. 胡佳.苏州大学 2013
本文编号：3423934
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１太阳能电池的分类??
中使用面最广且最成功的器件结构，器件效率已经超过１〇％［２８］。与传统的双层器??件结构相比，ＢＨＪ器件最主要的作用是增加了光活性材料的接触面积。??反向器件结构如图１．２ｄ所示。常规的正向结构聚合物太阳能电池在大气环境??使用中一个严重问题是容易受到空气中的水汽、氧气的侵蚀，最终导致器件的不??稳定性和短暂的使用寿命。而反向器件结构由于活性层有利的垂直相分离和高功??函金属（Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等）或金属氧化物作为阳极顶电极，从而比双层器件结构??和正向ＢＨＪ器件结构具有高的效率和空气稳定性。反向器件最高效率目前己经超??过１３％冏。??串联器件结构如图１．２ｅ所示。传统的〇ＳＣｓ器件都是设计宽带隙或窄带隙给体??材料结合富勒烯受体材料作为光活性层，它们都只能吸收少部分的太阳光，大部??分的太阳光都被反射或者热辐射到周围环境中去，为了解决这个问题，串联结构??器件首先由Ｋｉｍ等学者提出并应用起来［２（）１，是由双节或者多节太阳能电池通过连??接电极串联或者平行构筑而成，节与节之间的光活性材料在吸收光谱上互补且能??级匹配。串联有机太阳能电池的理论效率可高达约２１％，这可与传统的高效无机??太阳能电池相媲美［３（）］。??＾?阳极?ｍ极??玻璃接底?玻璃？莊底?玻璃基底??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??「?丨＊”泛?＇??Ａ?你
聚合物太阳能电池的基本工作原理是利用太阳光入射到聚合物半导体的异??质结界面产生的光生伏打效应。尽管聚合物太阳能电池的光电流产生过程还有很??多争论的地方，但一般认为如图１．３所示，主要包括光的吸收与激子的形成、激??子的扩散、电荷分离、电荷的传输和电荷的收集［４］。??Ｄｏｎｏｒ?Ａｃｃｅｐｔｏｒ????Ｃａｔｈｏｄ??——ｎ??（１舴（２）??ＣＴ?（３Ｖ?ＳＣ?（４）?（５）??巾?１－｜Ｌ＾０．＾ｈｏｍｏ??圍減ｓｃ?Ｉ?１??Ａｎｏｄｅ??图１．３聚合物太阳能电池的光电转换过程??１．３．４聚合物太阳能电池性能的重要参数??描述不同类型聚合物太阳能电池性能必须在同一标准下表征。太阳能电池的??性能通常是在模拟太阳光光谱下表征。由于地球表面大气层的影响，到达地面的??太阳光谱是不同的，所以科学界把ＡＭ?１．５太阳光谱定义为测试太阳能电池性能??的标准参考［３ｎ。聚合物太阳能电池性能的重要参数包括能量转换效率、短路电??流密度（Ｊｒｃ）、开路电压（Ｋｃ）、填充因子（ＦＦ）、入射单色光子－电子转换效率??（ＩＰＣＥ）、串联电阻（Ｒｓ）和并联电阻（Ｒｓｈ）。??聚合物太阳能电池的能量转换效率是由电池在标准ＡＭ?１．５的模拟太阳光下??测得的电流密度－电压（．ＴＨＤ特性曲线计算得出的。ＰＳＣｓ的特性．／－Ｆ曲线如图１．４??所示。ＰＣＥ值等于输出功率（Ｐ＾Ｏ与输入功率（Ｐｉｎ）的比值１４１，其数学表达公式??为：??ＰＣＥ?＊１００％＝?Ｖ〇ｃ?Ｘ?Ｊｓｃ?Ｘ?ＦＦ?＊１００％??Ｐｉ＂?Ｐｉｎ??ＰＣＥ值最能反映太阳能电池直观性能
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有接近15%能量转换效率的有机太阳能电池[J]. 崔勇,姚惠峰,杨晨熠,张少青,侯剑辉. 高分子学报. 2018(02)
[2]烷基链取代位置对二维苯并二噻吩类共轭聚合物光伏特性的影响（英文）[J]. 姚惠峰,叶龙,樊本虎,霍利军,侯剑辉. Science China Materials. 2015(03)
硕士论文
[1]基于吡咯并吡咯二酮、并噻吩的有机光伏材料的合成及性能研究[D]. 沈天培.湘潭大学 2015
[2]ZnO电子选择层的制备方法对反向有机太阳能电池性能的影响[D]. 胡佳.苏州大学 2013
本文编号：3423934
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