基于萘硫烷和联苯硫烷侧链取代苯并二噻吩的新型高性能聚合物给体材料的合成及性能研究

发布时间：2020-10-17 20:52

　　 太阳能电池是一种将太阳能转化成电能的技术,是太阳能开发利用的重要研究方向。其中,有机太阳能电池作为一种新型的太阳能转换技术,具有材料广泛、质量轻、成本低和可通过溶液法“卷对卷”大规模制备的特点,因而备受关注。近年来,得益于有机光伏材料的创新发展以及器件制备工艺的不断发展,有机太阳能电池的能量转换效率(PCE)已突破14%,显示出了极好的应用前景。本论文对有机太阳能电池的发展历程进行了简单介绍,对有机太阳能电池聚合物给体材料进行了系统的归纳和阐述。针对目前高性能有机太阳能电池给体材料种类有限、设计缺乏切实可行的理论指导等问题,本文设计合成了一系列新型烷硫基取代的二维苯并二噻吩(BDT)给体单元及相应的D-A型聚合物给体材料,研究了聚合物给体材料的光物理、电化学性能,以及聚合物材料在溶液加工本体异质结太阳能电池器件(OPV)中的光伏性能。同时,进一步研究了材料的电荷传输性能和活性层材料的膜形貌。获得了多个光伏性能优异的聚合物给体材料,揭示了分子结构与材料光伏性能的关系,提供了一种通过侧链烷硫基修饰BDT单元提高开路电压(VoC)的材料设计思路。本论文的研究内容和研究结果如下:1)设计合成了一种基于萘硫烷侧链修饰的二维BDT给体单元BDTNS,并以BDD为吸电子受体单元,制备了聚合物给体材料PBDTNS-BDD。同时,合成了基于萘氧烷侧链修饰的二维BDT的聚合物材料PBDTNO-BDD作为对比。通过对两个聚合物材料吸收光谱及电化学性能的研究可以发现,与氧原子相比,硫原子的引入能够在维持吸收光谱不变的同时有效降低材料的HOMO能级。通过与受体材料PC71BM和ITIC共混,研究了两种聚合物给体材料在富勒烯和非富勒烯体系中的光伏性能。结果表明,烷硫基修饰的聚合物给体材料在两种受体材料体系中均表现出更高的Voc和更好的光伏性能。其中,在富勒烯太阳能电池中,PBDTNS-BDD 的 PCE 为 8.70%,Voc为 0.91 V(vs.6.64%,0.85 V);在非富勒烯太阳能电池中,PBDTNS-BDD表现出更佳的性能,PCE为9.28%,Voc为0.94 V(vs.7.05%,0.87 V)。该研究表明,烷硫侧链比烷氧侧链更有利于提升材料的光伏性能2)将萘硫烷侧链修饰的二维BDT给体单元BDTNS与不同的吸电子受体单元共聚,合成了多种窄带隙聚合物给体材料。研究了给体材料的吸收光谱和电化学性能。以PC71BM为受体材料,系统研究了基于给体单元BDTNS的不同D-A型给体材料在富勒烯体系中的光伏性能。其中,烷氧BO吸电子基团为受体单元的窄带隙D-A型聚合物PBDTNS-DTBO表现出较好的光伏性能,PCE为8.02%。该研究表明,BDTNS单元可构建多种高性能D-A型聚合物给体材料。3)设计合成了一种联苯硫烷侧链修饰的二维BDT给体单元BDTBPS,并以FTAZ弱吸电子基团为受体单元,制备了基于BDTBPS的宽带隙聚合物给体材料PBDTBPS-FTAZ。聚合物PBDTBPS-FTAZ与ITIC共混制备的太阳能电池表现出良好的光伏性能。由于联苯硫烷侧链的影响,器件表现出较高的Voc和短路电流(Jsc),PCE可达11.60%(Voc为0.914V,Jsc为18.02mA/cm2,FF为70.43%)。同时,在非富勒烯体系中,PBDTBPS-FTAZ也表现出较好的光伏性能,PCE为7.21%。结果表明,通过侧链烷硫基修饰BDT单元不仅能够降低HOMO能级,也能提高填充因子。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

??池器件结构，如图１．２所示’。这种双层异质结电池和单层电池在光电转化机理??上有根本的区别：在双层异质结太阳能电池中，活性层激发而产生的激子并不需??要扩散到活性层与电极界面处发生解离，而是在给受体材料的界面处将空穴和电??子分别传输到给体材料的ＨＯＭＯ１能级和受体材料的ＬＵＭＯ能级，这种转化机制??大幅度提高了电池的光电转化效率，该结构的太阳能电池转化效率达到１％，相??比单层电池有了极大的提升。然而，有机半导体材料的激子寿命很短，导致其传??输距离有限，因此只有在界面两侧约５－１４ｎｍ范围内的激子能够顺利到达界面处??实现激子分离，而超出此范围的激子并不能到达界面处发生激子分离产生光电流。??Ｉ?负极?Ｉ??茈酰亚胺???钛答铜????ＩＴＯ???????图１．２双层太阳能电池器件结构示意图??１９９５?年

??池器件结构，如图１．２所示’。这种双层异质结电池和单层电池在光电转化机理??上有根本的区别：在双层异质结太阳能电池中，活性层激发而产生的激子并不需??要扩散到活性层与电极界面处发生解离，而是在给受体材料的界面处将空穴和电??子分别传输到给体材料的ＨＯＭＯ１能级和受体材料的ＬＵＭＯ能级，这种转化机制??大幅度提高了电池的光电转化效率，该结构的太阳能电池转化效率达到１％，相??比单层电池有了极大的提升。然而，有机半导体材料的激子寿命很短，导致其传??输距离有限，因此只有在界面两侧约５－１４ｎｍ范围内的激子能够顺利到达界面处??实现激子分离，而超出此范围的激子并不能到达界面处发生激子分离产生光电流。??Ｉ?负极?Ｉ??茈酰亚胺???钛答铜????ＩＴＯ???????图１．２双层太阳能电池器件结构示意图??１９９５?年

?活性层／Ｃａ／Ａｌ，反型器件的结构通常为：ＩＴＯ／金属氧化物／活性层／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｇ，??器件结构如图１．４所示。两类电池的活性层均为本体异质结结构，两者的区别主??要在于：正型电池以ＩＴＯ为阳极材料，ＰＥＤＯＴ：?ＰＳＳ为空穴传输层材料，钙、铝??等低功函数金属为阴极材料；而反型电池以ＩＴＯ为阴极材料，氧化锌等金属氧化??物为电子传输层材料，金、银等高功函数的金属为阳极材料。??■?Ｉ?Ａ１?Ｉ?Ｉ?Ａｇ?Ｉ??界面层?ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ??活性层?活性层??ＰＥＤＱＴ：ＰＳＳ?Ｉ?金属氧化物???ＩＴＯ玻璃???ＩＴＯ玻璃???图１．４太阳能电池正型器件和反型器件结构示意图??１．２．３有机太阳能电池的重要参数及材料设计理念??太阳能电池的光电转化效率（ＰＣＥ）指的是电池的最大输出功率与入射光光??照强度的百分比，ＰＣＥ＝?（Ｆｏｃｘ＆ｘＦＦ）?／Ｐｉｎ，其中，Ｆｏｅ为开路电压，Ａｃ??为短路电流密度，ＦＦ为填充因子。由公式可知，ＰＣＥ取决于太阳能电池的三个??参数，Ｂ卩：Ｋ０Ｃ，Ｊｓｃ以及ＦＦ。而这三个参数与给体材料的电化学、光物理等性??质密切相关［２１＾：??１）化学能级：给受体材料需有匹配的ＨＯＭＯ能级和ＬＵＭＯ能级。Ｆｏｃ主要??取决于给体材料ＨＯＭＯ能级和受体材料ＬＵＭＯ能级之间的能级差（图１．５），??即厂ｏｃ〇＾Ｅ〇ｉｍｏ－Ｅｈ〇ｍｏ；能量损失（Ｅｉ〇ｓｓ）通常取决于给体材料的光学带隙和电池??的开路电压
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本文编号：2845304