基于苯并二噻吩和功能化喹喔啉的D-A型聚合物光伏材料的合成及性能研究
发布时间：2021-07-26 11:27
聚合物太阳能电池因具质量轻、制备工艺简单、可通过溶液加工成柔性大面积器件等优点,受到了科学家的广泛关注。本论文系统综述了基于喹喔啉聚合物给体材料的研究进展。针对当前高效率聚合物给体材料种类较少、分子结构与性能之间的关系尚不清楚等关键科学问题,我们设计合成了三类基于硫烷基化苯并二噻吩（BDTTS）和不同侧链工程喹喔啉单元的D-A型聚合物给体材料,通过核磁共振氢谱、碳谱和飞行质谱等方法对聚合物单体和目标聚合物的化学结构进行了表征,利用热力学分析、紫外光谱、循环伏安法和X-射线衍射研究了目标材料的光物理性能。构筑了基于富勒烯和非富勒烯电子受体的太阳能电池器件,筛选获得了性能优异的聚合物给体材料,揭示了材料分子结构与其光伏性能之间的关系。本论文的主要研究内容和结论如下:（1）合成了两个基于BDTTS和吲哚并[2,3-b]喹喔啉衍生物（IQ和2FIQ）单元的D-A型共轭聚合物PBDTTS-IQ和PBDTTS-2FIQ。系统研究了喹喔啉衍生物上取代基的改变对聚合物PBDTTS-IQ和PBDTTS-2FIQ的紫外吸收光谱、电化学能级、空穴迁移率以及光伏性能的影响。研究发现:与非氟化的PBDTTS-I...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚合物太阳能电池的工作原理
湘潭大学2020届硕士学位论文21.2聚合物太阳能电池简介1.2.1聚合物太阳能电池的工作原理图1.1聚合物太阳能电池的工作原理聚合物太阳能电池光电转换的工作机理大致分为四个步骤[19]，如图1.1所示：(1)激子的形成：给体材料吸收光子受到激发，形成激子。(2)激子的扩散：给体中的激子向给体/受体(D/A)界面扩散。(3)激子的解离：当给体和受体的LUMO能量(ELUMO)之差大于激子结合能时，给体材料中的激子将电子扩散到受体材料，同样受体中的激子将空穴扩散到给体，实现电荷分离。(4)激子的传输与收集:空穴和电子在光伏器件内的电场的影响下分别沿给体和受体向正极和负极扩散；最后分别被正极和负极收集产生光伏打效应。1.2.2聚合物太阳能电池的基本参数图1.2聚合物太阳能电池的电流-电压(J-V)曲线图1.2为聚合物太阳能电池器件的电流-电压(J-V)特征曲线，从图中可以获得聚合物太阳能电池器件四个重要的性能参数：开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、
湘潭大学2020届硕士学位论文3填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)。1)开路电压：在标准光照条件下，当太阳能电池的外电流断开或电流为零时，太阳能电池器件所产生的电压，既对应的J-V曲线中横坐标为零时纵坐标所对应的数值。2)短路电流：在标准光照条件下，当太阳能电池外加电压为零时，太阳能电池器件所产生的电流，既对应的J-V曲线中纵坐标为零时横坐标所对应的数值。3)填充因子：其定义为太阳能电池提供的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，FF=UmJm/VocJsc。4)光电转换效率：其定义为聚合物太阳能电池的最大输出功率Pm与入射光强度Pin之比PCE=Pm/Pin。换而言之，其值等于开路电压，短路电路，填充因子三个数值的乘积与与入射光强度Pin之比。1.2.3聚合物太阳能电池的器件结构图1.3聚合物太阳电池的器件结构示意图图1.3为聚合物太阳能电池常见的器件结构，其结构类似于三明治夹心结构，其在两个功函数不同电极间夹着有机光伏活性层,一个电极常以透明的ITO作为阳极,另一电极常以Al,Ca等金属作为阴极。在活性层和电极之间,加入PEDOT:PSS,LiF,ZnO,TiOx等修饰层加以修饰。活性层作为器件的核心部分，对器件的光电转换效率起决定性的作用，其由给体材料(D)和受体材料(A)二部分组成，常见的给体材料分为有机小分子给体材料或聚合物给体材料,而受体材料则分为富勒烯受体材料(PC61BM,PC71BM)和非富勒烯受体材料(ITIC,Y6等)。1.3聚合物太阳能电池材料1.3.1聚合物太阳能电池给体材料的分子设计策略
【参考文献】：
期刊论文
[1]有机太阳电池效率突破18%（英文）[J]. 刘启世,江宇凡,金柯,秦建强,许金桂,李文婷,熊骥,刘金凤,肖作,孙宽,杨上峰,张小涛,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
[2]Improving open-circuit voltage by a chlorinated polymer donor endows binary organic solar cells efficiencies over 17%[J]. Ruijie Ma,Tao Liu,Zhenghui Luo,Qing Guo,Yiqun Xiao,Yuzhong Chen,Xiaojun Li,Siwei Luo,Xinhui Lu,Maojie Zhang,Yongfang Li,He Yan. Science China（Chemistry）. 2020(03)
[3]Rationally pairing photoactive materials for high-performance polymer solar cells with efficiency of 16.53%[J]. Yue Wu,Yan Zheng,Hang Yang,Chenkai Sun,Yingying Dong,Chaohua Cui,He Yan,Yongfang Li. Science China（Chemistry）. 2020(02)
[4]Achieving over 16% efficiency for single-junction organic solar cells[J]. Baobing Fan,Difei Zhang,Meijing Li,Wenkai Zhong,Zhaomiyi Zeng,Lei Ying,Fei Huang,Yong Cao. Science China（Chemistry）. 2019(06)
本文编号：3303477
【文章来源】：湘潭大学湖南省
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚合物太阳能电池的工作原理
湘潭大学2020届硕士学位论文21.2聚合物太阳能电池简介1.2.1聚合物太阳能电池的工作原理图1.1聚合物太阳能电池的工作原理聚合物太阳能电池光电转换的工作机理大致分为四个步骤[19]，如图1.1所示：(1)激子的形成：给体材料吸收光子受到激发，形成激子。(2)激子的扩散：给体中的激子向给体/受体(D/A)界面扩散。(3)激子的解离：当给体和受体的LUMO能量(ELUMO)之差大于激子结合能时，给体材料中的激子将电子扩散到受体材料，同样受体中的激子将空穴扩散到给体，实现电荷分离。(4)激子的传输与收集:空穴和电子在光伏器件内的电场的影响下分别沿给体和受体向正极和负极扩散；最后分别被正极和负极收集产生光伏打效应。1.2.2聚合物太阳能电池的基本参数图1.2聚合物太阳能电池的电流-电压(J-V)曲线图1.2为聚合物太阳能电池器件的电流-电压(J-V)特征曲线，从图中可以获得聚合物太阳能电池器件四个重要的性能参数：开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、
湘潭大学2020届硕士学位论文3填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)。1)开路电压：在标准光照条件下，当太阳能电池的外电流断开或电流为零时，太阳能电池器件所产生的电压，既对应的J-V曲线中横坐标为零时纵坐标所对应的数值。2)短路电流：在标准光照条件下，当太阳能电池外加电压为零时，太阳能电池器件所产生的电流，既对应的J-V曲线中纵坐标为零时横坐标所对应的数值。3)填充因子：其定义为太阳能电池提供的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，FF=UmJm/VocJsc。4)光电转换效率：其定义为聚合物太阳能电池的最大输出功率Pm与入射光强度Pin之比PCE=Pm/Pin。换而言之，其值等于开路电压，短路电路，填充因子三个数值的乘积与与入射光强度Pin之比。1.2.3聚合物太阳能电池的器件结构图1.3聚合物太阳电池的器件结构示意图图1.3为聚合物太阳能电池常见的器件结构，其结构类似于三明治夹心结构，其在两个功函数不同电极间夹着有机光伏活性层,一个电极常以透明的ITO作为阳极,另一电极常以Al,Ca等金属作为阴极。在活性层和电极之间,加入PEDOT:PSS,LiF,ZnO,TiOx等修饰层加以修饰。活性层作为器件的核心部分，对器件的光电转换效率起决定性的作用，其由给体材料(D)和受体材料(A)二部分组成，常见的给体材料分为有机小分子给体材料或聚合物给体材料,而受体材料则分为富勒烯受体材料(PC61BM,PC71BM)和非富勒烯受体材料(ITIC,Y6等)。1.3聚合物太阳能电池材料1.3.1聚合物太阳能电池给体材料的分子设计策略
【参考文献】：
期刊论文
[1]有机太阳电池效率突破18%（英文）[J]. 刘启世,江宇凡,金柯,秦建强,许金桂,李文婷,熊骥,刘金凤,肖作,孙宽,杨上峰,张小涛,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
[2]Improving open-circuit voltage by a chlorinated polymer donor endows binary organic solar cells efficiencies over 17%[J]. Ruijie Ma,Tao Liu,Zhenghui Luo,Qing Guo,Yiqun Xiao,Yuzhong Chen,Xiaojun Li,Siwei Luo,Xinhui Lu,Maojie Zhang,Yongfang Li,He Yan. Science China（Chemistry）. 2020(03)
[3]Rationally pairing photoactive materials for high-performance polymer solar cells with efficiency of 16.53%[J]. Yue Wu,Yan Zheng,Hang Yang,Chenkai Sun,Yingying Dong,Chaohua Cui,He Yan,Yongfang Li. Science China（Chemistry）. 2020(02)
[4]Achieving over 16% efficiency for single-junction organic solar cells[J]. Baobing Fan,Difei Zhang,Meijing Li,Wenkai Zhong,Zhaomiyi Zeng,Lei Ying,Fei Huang,Yong Cao. Science China（Chemistry）. 2019(06)
本文编号：3303477
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