优化共聚单元结构改善P-型聚电解质和宽带隙给体设计及其有机太阳能电池应用
发布时间：2020-12-04 13:16
作为一种清洁可再生能源,太阳能在如今资源匮乏的时期被广泛关注。相对于已实现产业化生产的无机硅太阳能电池来说,有机太阳能电池是一种新型的光电转化器件。作为一种应用前景广阔的太阳能光伏器件,它具有重量轻、价格低、可室温溶液加工和可制备柔性器件等优势。目前,经过近十年的发展,有机太阳能电池的能量转化效率已经有了巨大的提高,单节有机太阳能电池的器件效率已经超过14%。为进一步提高有机太阳能电池的转化效率,一方面是设计合成新的给受体材料和优化给受体界面的相分离形貌;另一方面则是通过设计合成新的界面层材料,调控电极的功函,以获得更合适的能级结构,降低界面能级壁垒,减少传输过程中的能量损失。目前,包含共轭主链和极性侧链端基的共轭聚电解质作为一种全新的界面层材料,正在被广泛研究。这类界面层材料在水和甲醇等极性溶剂中具有很好的溶解性,但不溶于常用于制备活性层的有机溶剂,这对于提高界面稳定性和提高器件效率非常重要。本文中,我们设计合成了两种以环戊二噻吩磺酸钾为核,苯和二氟苯为共聚单元的共轭聚电解质作为空穴传输层材料,分别命名为PCPDPhSO3K和PCPDffPhSO3
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
有机太阳能电池工作机理Figure1.1Workingmechanismfororganicsolarcell
聚合物夹在两个电极之间。这类电池产生的激子扩散范围不超过 10nm，因此很容易发生激子复合的现象，能量转化效率也因此受到极大限制。在人们认识到单一共轭聚合物作为活性层带来的不利影响后，开始探索全新的太阳能电池结构。1986 年，柯达公司的研究人员为新型太阳能电池器件结构的设计做出了里程碑式的工作。他们将四羟基苝衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）两种材料作为太阳能电池的活性层，制备了一种双层结构的太阳能电池[25]。虽然在当时双层结构的太阳能电池器件效率也仅仅达到 1%，但相对于单层太阳能电池来说已经是一个巨大的进步。后来，共轭聚合物与 C60之间超快的电荷转移效率被来自美国的黑格尔教授（Alan J. Heeger）首次发现，并设计出基于聚苯撑乙烯和 C60为活性层的双层异质结太阳能电池[26]。这类器件结构的太阳能电池吸收光子产生的激子在扩散至给体和受体界面时发生分离，产生可自由移动的电子和空穴。电子和空穴沿着受体和给体层传输到对应电极，最终产生光电压和光电流。但是，由于激子的扩散距离只有 10nm 左右，而且激子寿命又很短暂，导致大部分激子无法扩散到给受体界面，使得最后电极收集到的电子和空穴非常有限，而能量转化效率也因此无法得到更好的提升[27]。
本体异质结太阳能电池结构的提出就是针对激子无法有效扩散到给受体界面的问题。在这类器件结构中，给体材料和受体材料通过简单的物理共混，来制备理想情况下具有均匀互穿网络结构的薄膜。由于给受体材料经过共混，增加了许多给受体接触界面，因此提供给激子分离的界面大大增加，从而提高了激子分离效率[28-29]。与此同时，共混后形成的互穿网络结构可以给电子和空穴的收集、传输提供更多的通道，极大的提高最终到达电极的电荷数量[30]。由于具备以上多种优势，本体异质结电池是目前研究最广泛的有机太阳能电池，并且目前最高的能量转化效率也是这类电池取得的，在实验室环境下，小面积器件已经超过 14%的器件效率了。另外，本体异质结电池又可以细分为正向结构和反向结构，两者的区别主要是界面修饰层的旋涂顺序不一样。叠层太阳能电池是将两个或多个电池叠加起来，在每个小电池结构中使用不同带隙的活性层材料，以尽可能的拓宽叠层电池对太阳光谱的吸收范围，因此可以有效的提高对太阳光的利用率[31-32]。但此类电池结构更加复杂，制备工艺繁琐，现阶段只有较少的一部分研究人员在从事这类电池的研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Diketopyrrolopyrrole-based Conjugated Polymers as Additives to Optimize Morphology for Polymer Solar Cells[J]. Xun-fan Liao,Jing Wang,Shuang-ying Chen,谌烈,Yi-wang Chen. Chinese Journal of Polymer Science. 2016(04)
[2]聚合物太阳能电池高效共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料[J]. 李永舫. 高分子通报. 2011(10)
本文编号：2897674
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
有机太阳能电池工作机理Figure1.1Workingmechanismfororganicsolarcell
聚合物夹在两个电极之间。这类电池产生的激子扩散范围不超过 10nm，因此很容易发生激子复合的现象，能量转化效率也因此受到极大限制。在人们认识到单一共轭聚合物作为活性层带来的不利影响后，开始探索全新的太阳能电池结构。1986 年，柯达公司的研究人员为新型太阳能电池器件结构的设计做出了里程碑式的工作。他们将四羟基苝衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）两种材料作为太阳能电池的活性层，制备了一种双层结构的太阳能电池[25]。虽然在当时双层结构的太阳能电池器件效率也仅仅达到 1%，但相对于单层太阳能电池来说已经是一个巨大的进步。后来，共轭聚合物与 C60之间超快的电荷转移效率被来自美国的黑格尔教授（Alan J. Heeger）首次发现，并设计出基于聚苯撑乙烯和 C60为活性层的双层异质结太阳能电池[26]。这类器件结构的太阳能电池吸收光子产生的激子在扩散至给体和受体界面时发生分离，产生可自由移动的电子和空穴。电子和空穴沿着受体和给体层传输到对应电极，最终产生光电压和光电流。但是，由于激子的扩散距离只有 10nm 左右，而且激子寿命又很短暂，导致大部分激子无法扩散到给受体界面，使得最后电极收集到的电子和空穴非常有限，而能量转化效率也因此无法得到更好的提升[27]。
本体异质结太阳能电池结构的提出就是针对激子无法有效扩散到给受体界面的问题。在这类器件结构中，给体材料和受体材料通过简单的物理共混，来制备理想情况下具有均匀互穿网络结构的薄膜。由于给受体材料经过共混，增加了许多给受体接触界面，因此提供给激子分离的界面大大增加，从而提高了激子分离效率[28-29]。与此同时，共混后形成的互穿网络结构可以给电子和空穴的收集、传输提供更多的通道，极大的提高最终到达电极的电荷数量[30]。由于具备以上多种优势，本体异质结电池是目前研究最广泛的有机太阳能电池，并且目前最高的能量转化效率也是这类电池取得的，在实验室环境下，小面积器件已经超过 14%的器件效率了。另外，本体异质结电池又可以细分为正向结构和反向结构，两者的区别主要是界面修饰层的旋涂顺序不一样。叠层太阳能电池是将两个或多个电池叠加起来，在每个小电池结构中使用不同带隙的活性层材料，以尽可能的拓宽叠层电池对太阳光谱的吸收范围，因此可以有效的提高对太阳光的利用率[31-32]。但此类电池结构更加复杂，制备工艺繁琐，现阶段只有较少的一部分研究人员在从事这类电池的研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Diketopyrrolopyrrole-based Conjugated Polymers as Additives to Optimize Morphology for Polymer Solar Cells[J]. Xun-fan Liao,Jing Wang,Shuang-ying Chen,谌烈,Yi-wang Chen. Chinese Journal of Polymer Science. 2016(04)
[2]聚合物太阳能电池高效共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料[J]. 李永舫. 高分子通报. 2011(10)
本文编号：2897674
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2897674.html
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