联二噻吩桥连苯并噻二唑聚合物的合成及光伏性能研究

发布时间：2020-06-06 15:53

【摘要】：太阳能电池是通过材料光伏效应把光能转化为电能的器件装置,是大家期待已久的可再生绿色清洁能源。经过二十年的发展,有机太阳能电池的光电转换效率现已突破14%,展现出优异的应用潜力。研究表明优良性能聚合物给体材料应具备吸收光谱与太阳光谱相匹配、较高的载流子迁移率、合适的能级、有较好的成膜性、能与受体形成合适的纳米尺度的互穿网络结构等性质。同是,为了促进聚合物太阳能电池(PSCs)早日产业化,进一步优化PSCs的能量转换效率、光稳定性和寿命等性能尤为重要。本论文以大平面明星分子苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)和二噻并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(DTBDT)为给电子单元。其次,结构简单、易于合成与修饰的苯并噻二唑(BT)和联二噻吩为缺电子单元,利用Pa催化下的stille偶合反应合成了系列新型共轭聚合物,并对其热稳定性、紫外-可见吸收、聚集、电化学、光稳定性、光伏器件性能等方面进行了系统研究。第三章,以4,8-双(4,5-二辛基噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT-T)作为电子给体单元,修饰的苯并噻二唑单元作为电子受体单元进行Stille偶联反应,合成了共聚物PBDT-BT-TT、PBDT-BT-FTT、PBDT-FBT-TT 和 PBDT-FBT-FTT,且具备较高的稳定性。在N2保护、AM 1.5G 100 mW/cm2模拟太阳灯照射10 h后,分别在最大吸收峰处保持其初始光吸收的84%、83%、83%和78%。聚合物在溶液和固态薄膜中的吸收范围大约在300-800 nm,薄膜中最大吸收峰分别为601 nm、598 nm、566 nm、613 nm,HOMO能级分别为-5.38 eV、-5.45 eV、-5.52 eV 和-5.55 eV,LUMO 能级分别为-3.60 eV、-3.75 eV、-3.75 eV和-3.87 eV。经过对该聚合物电池制备条件的优化表明,溶液添加剂DIO可明显改善聚合物活性层薄膜相分离,使Jsc和FF大大提高,从而使共聚物PBDT-BT-TT、PBDT-BT-FTT、PBDT-FBT-TT 和 PBDT-FBT-FTT 的光电转换效率分别达到 4.47%、2.31%、1.43%和 2.56%。第四章,以前一章合成的单体为基础,5,10-双(4,5-二癸基噻吩-2-基)二噻吩并[2,3-d:2',3'-d]苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(DTBDT-T)作为电子给体单元,利用stille偶合反应得到了四种共轭聚合 PDTBDT-BT-TT、PDTBDT-BT-FTT、PDTBDT-FBT-TT、PDTBDT-FBT-FTT。在N2保护、AM 1.5G 100 mW/cm2模拟太阳灯照射10 h后,分别在最大吸收峰处保持其初始光吸收的83%、82%、82%和77%。光电响应范围大约在300-800 nm,薄膜中最大吸收峰分别为604 nm、600 nm、573 nm、614 nm,HOMO能级分别为-5.32 eV、-5.41 eV、-5.48 eV 和-5.49 eV 以及 LUMO 能级分别为-3.63 eV、-3.74 eV、-3.73 eV和-3.82 eV。在AM 1.5G 100 mW/cm2的条件下,基于这四种共聚物的光伏器件表明,共聚物 PDTBDT-BT-TT、PDTBDT-BT-FTT、PDTBDT-FBT-TT、PDTBDT-FBT-FTT与 PC71BM 的最优 PCE 分别为 3.87%、3.06%、1.50%和 5.28%。第五章,将4,8-双(4,5-二辛基噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT-T)或5,10-双(4,5-二癸基噻吩-2-基)二噻并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(DTBDT-T)与 N,N-双十二烷基噻吩并[2',3':5,6]吡啶并[3,4-g]噻吩并[3,2-c]异喹啉-5,11-二酮(TPTI)进行Stille偶联反应。合成2种高光稳定性中带隙共轭聚合物PBDT-TPTI和PDTBDT-TPTI,且研究了聚合物的热稳定性、光稳定性、光电性能以及BDT-T和DTBDT-T结构对共聚物光学性质的影响。在光电流响应范围为300 nm到650nm、AM1.5G 100mW/cm2的条件下,P3HT/PC71BM共混膜器件的最佳光电转换效率为4.48%。同等条件,PBDT-TPTI和PDTBDT-TPTI与PC71BM的共混膜i-PVC得到了5.98%和6.05%的光电转换效率。当电子受体材料用作ITIC时,器件的光电流响应范围扩展到300-792nm。PBTT-TPTI和PDTBDT-TPTI的i-PVCs的光电转换效率分别提高到7.58%和6.91%。
【图文】：

太阳能电池,工作机制,异质结,本体

致、深入和系统的研究。1.2 聚合物太阳能电池简介1.2.1 聚合物太阳能电池的工作机制本体异质结太阳能电池是基于光生伏特效应将太阳能转化为电能的器件装置。如图1.1 所示，太阳能转化为电能工作原理如下：(1) 光子的吸收和激子的生成。在太阳光照射下，活性层吸收光子，，被激发的电子将由基态跃迁至激发态，形成电子-空穴对，即激子[14]；(2) 激子的扩散。中性给体激子经过扩散后到达给体与受体界面；界面附近的给体激子通过界面内建电场的辅助，克服激子中之间的库仑束缚力后，进行电荷转移—电子由给体 LUMO 能级转移到受体 LUMO 能级，形成电荷转移复合物；(3) 激子的解离。激子在给、受体的 LUMO 能级差的驱动下，发生电子-空穴对的分离；(4) 电荷的传输。激子经过电荷转移态完成解离，成为自由移动的电子和空穴；(5) 电荷的收集。电子向阴极移动

太阳能电池,聚合物,结构示意图,电池

兰州交通大学硕士学位论文 100% PJVFFPCEscoc(式 1.2)(5) 外量子效率(EQE)：指在某一给定波长下，聚合物太阳能电池内载流子数目与所有照射到电池表面的光子数目之比(式 1.3)，是表征聚合物光电池对入射光产生响应的关键参数。 pJEQEsc12 .4(式 1.3)1.2.3 聚合物太阳能电池的器件结构
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O633.5

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