全聚合物太阳电池受体材料的设计与开发

发布时间：2020-09-19 09:07

　　全聚合物太阳电池采用共轭聚合物作为电子给体和电子受体,具有良好的相稳定性、器件稳定性和力学性能,被视为一类很有潜力的有机太阳电池。近年来,由于在给受体材料设计、薄膜形貌调控以及器件工程方面的发展,全聚合物太阳电池的性能得到了极大的提升,但是相对于采用小分子非富勒烯材料为受体的聚合物太阳电池,全聚合物太阳电池的性能仍然存在一定的差距。高效的共轭聚合物受体材料对于全聚合物太阳电池至关重要,本论文围绕傒二酰亚胺(PDI)和萘二酰亚胺(NDI)单元,开发了一系列新型聚合物受体,探究聚合物受体材料在全聚合物太阳电池器件中的性能。在第二章中,我们利用Sonogashira聚合方法的独特优点,采用异构单体合成了异构聚合物受体材料PA和MA。我们的研究发现对位连接的聚合物PA显示出更好的溶解性、更强的π-π堆积和更合适的共混形貌,所以基于对位连接的聚合物PA的电池器件的能量转化效率(3.29%)高于基于间位连接的聚合物MA的器件的效率(0.92%)。此外,我们还合成了一系列无规共聚物,其中基于共聚物PA-M01的电池器件的效率为4.11%。在第三章中,我们通过化学合成构筑了强给电子单元烷氧基噻吩,并将其引入到共轭聚合物受体材料的主链中,成功合成了新型聚合物受体材料PPDI-TO和PNDI-TO。烷氧基噻吩的引入能够有效抬升聚合物的LUMO能级并拓宽聚合物的吸收光谱。基于PPDI-TO和PNDI-TO的电池器件分别获得2.8%和3.7%的能量转换效率。在第四章中,我们采用空间位阻更小的联呋喃代替N2200中的联噻吩,合成了新的聚合物受体材料NFu。DFT模拟显示NFu分子平面较N2200分子平面具有更小的二面角。光谱吸收显示NFu在长波区的吸收明显增强,进一步说明了NFu分子间具有强烈的π-π作用力。基于PTzBI和NFu共混制备的电池器件的效率为7.80%,说明NFu是一种有潜力的高效有机太阳电池受体材料。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TM914.4
【部分图文】：

吸收光谱,太阳电池,工作机理,器件

1.2.2 全聚合物太阳电池器件的光伏参数在光照条件下，全聚合物太阳电池器件的电流密度（J）与电压（V）之间的关系图 1-2（b）所示。其中，短路电流密度（Jsc）是器件的最大输出电流密度，主要受入光强、电荷分离效率和载流子迁移率的影响。因此，为了实现最大的光收集，活性层须具有宽的吸收光谱。开路电压（Voc）是器件处于开路时的电压值，与空穴和电子准米能级的分裂有关，Voc=1 （EFn- EFp），其中 EFn和 EFp分别是电子和空穴的准费米能级填充因子（FF）是器件最大输出功率（Pm）与 Voc和 Jsc的乘积之间的比率，由自由荷的提取和复合之间的竞争决定。FF= = ，Jmp和 Vmp（如图 1-2b）分别最大功率点处的电流密度和电压。能量转换效率（PCE）定义为 Pm与入射光输入功（Pin）之间的比率，即 PCE= ×100% = 。

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