基于不同π桥及二氟联噻吩的共轭聚合物的合成及光伏性能研究

发布时间：2020-11-20 10:05

　　 在社会经济快速发展过程中,能源一直以来都是一个关乎每个人的至关重要的问题。随着对能源的需求不断增加,发展新型能源,优化能源结构刻不容缓。太阳能因其清洁、无污染等特点受到了人们的广泛关注。在此背景下,有机太阳能电池应运而生。聚合物太阳能电池因其低成本、易制造和具有机械柔性深受科研工作者们的关注。近年来,聚合物太阳能电池的能量转换效率快速提高,目前,单结聚合物太阳能电池的能量转换效率已经达到了 13%。然而,有机太阳能电池要实现商业化应用还面临很多问题。因此,研究者们仍然在为了有机太阳能电池早日实现商业化而奋斗。在此,我们设计并合成了一系列聚合物光敏材料,并利用核磁共振对所合成的聚合物进行了表征,利用热失重分析、紫外-可见光谱、循环伏安测试等对所合成的聚合物的热性能、光物理性能和电化学性能进行了研究,并对聚合物的光伏性能进行了测试和表征,其主要结果如下:1.通过钯催化的Stille偶联聚合反应,合成了由苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)为给电子单元,苯并[c][1,2,5]噻二唑为缺电子单元,呋喃和噻吩为π桥的两个无规共辄聚合物P1和P2。这两个聚合物都具有良好的溶解性和热稳定性。同时,π桥单元显著地影响了分子的结构从而影响共轭聚合物的光电性能,如聚合物P1和P2的紫外-可见吸收光谱的吸收峰由516 nm红移到568 nm,带隙也由1.62 eV调整到1.66 eV。基于P1和P2为给体材料,PC61BM为受体材料的聚合物太阳能电池能量转换效率分别为0.35%和1.21%。显然地,以呋喃为π桥的聚合物P2的能量转换效率高于以噻吩为π桥的聚合物P1的能量转换效率。研究结果表明:呋喃作为π桥更有利于提高D-π-A共轭聚合物的光伏性能。这一结果为我们设计高性能光伏材料提供了新的思路。2.合成了一系列包含两种不同缺电子单元(TPD和DPP)的DFDT-TPD-DPP无规共轭聚合物,这类共轭聚合物在400-900 nm范围内具有强吸收。由于在共辄主链中引入了具有强吸电子能力的DPP单元作为第二受体,随着DPP单元的比例增大,聚合物表现出宽的吸收光谱和低的HOMO能级。在优化的条件下,基于P6的聚合物太阳能电池(PSCs)表现出了 3.80%的能量转化效率(PCE),0.73 V的开路电压(Voc),7.87 mAcm-2的短路电流(Jsc)和66.0%的填充因子(FF)。研究结果表明:在无规共轭聚合物中引入适当的第二受体单元是一个扩宽聚合物吸收光谱,调节聚合物能级,从而提高聚合物光伏性能的有效方法。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O631
【部分图文】：

??１．２聚合物太阳能电池研究进展??１．２．１聚合物太阳能电池的结构??多年来，聚合物太阳能电池器件结构几经优化改进，现在己经发展有单层器??件、双层器件、本体异质结器件（ＢＨＪ）和叠层器件。这些器件结构极大丰富了??聚合物给体材料的测试条件，助力太阳能电池性能得到进一步提升。??１．２．１．１单结器件??单层器件开发较早，器件结构也比较简单，是由夹在不同功函电极之间的单??一光敏活性材料构成（如图１．１所示）［６］。其工作原理也较简单，当电池光敏材??料受到合适波长的阳光照射时，光敏材料就会吸收光子发生电子跃迁，产生激子??（电子－空穴对）并向阴、阳两极扩散，当到达金属电极和ＩＴＯ电极时，激子发??生裂解，裂解形成的电子被低功函的金属电极捕获，同时裂解形成的空穴被ＩＴＯ??Ｌ?Ｗ?ｊ??

．１．２．１．３本体异质结（ＢＨＪ）器件??ＢＨＪ器件是目前应用最多最广泛的有机太阳能器件结构，主要分为三个部导电玻璃ＩＴＯ为正极；给电子聚合物和小分子与拉电子的聚合物、小分子或??ＰＣＢＭ衍生物互混形成相分离结构较好的薄膜作为光敏活性层；Ａ１金属为负极［８］其具体结构如图〇所示，我们能从图中看出，光敏活性层中Ｄ／Ａ分子形成了比??

?■??阴极界面??图１．４本体异质结太阳能电池工作的结构原理示意图??１．２．２．１激子的产生??当太阳光透过ＩＴＯ玻璃照射光敏活性层时，通常来说，光敏材料会吸收不??同能隙的光子，其中吸收能隙（Ａ）比光敏材料＆更大的光子才能够顺利产生??激子。吸收光子后，一般地，光敏给体结构单元基态电子会跃迁到高能带，当电??子到达ＬＵＭＯ能级时便形成了不稳定的电子－空穴对，这就是激子。当ＢＨＪ?ＰＳＣｓ??能够吸收更多的太阳光子并且越多的光子产生了激子，那么，这种电池利用太阳??能的效率就会越高［８］。太阳以辐射的形式携带巨大的能量进入地球大气圈后，其??能量主要集中分布在红外区和近红外区（７００?ｎｍ左右）。而早期的几个经典的??聚合物光敏材料如ＭＥＨ－ＰＰＶ［９］、ＰＡ［１Ｑ］、ＰＴｈｓ和ＰＳＨＴ［ｎ］，作为活性层给体材料??时
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本文编号：2891257