基于稠环D-A共轭聚合物光伏性能的研究

【摘要】本论文概述了聚合物太阳能电池(PSCs)的发展状况。目前,与无机太阳能电池相比,其光电转换效率(PCE)较低。应用高性能的聚合物光伏材料是提高PSCs的PCE的主要策略。稠环D-A(Donor-Acceptor)共轭聚合物在PSCs中的优越性在于其具有拓展的共轭体系,有利于π-电子沿聚合物骨架离域,降低带隙和提高光吸收能力。此外,稠环D-A共轭聚合物的刚性平面结构有助于分子链在固态膜条件下进行π-π共面堆积,改善电荷迁移率。目前,关于稠环D-A共轭聚合物在PSCs应用的相关报道还很少且取得的PCE也不高。本文通过热失重分析、循环伏安分析法和紫外-可见吸收光谱分别考察了三个系列新型含氮稠环D-A共轭共聚合物分子结构对其热稳定性、电化学性能和光学性能的影响。稠环D-A共轭共聚合物作为给体材料与PC7,BM制备本体异质结PSCs,研究了给体与受体组分比例、添加剂、活性层厚度、载流子迁移率以及活性层形貌对稠环D-A共轭共聚合物光伏性能的影响。本论文的具体研究内容及结果如下：(1)采用主链为五元稠环噻吩[2’,3’：5,6]吡啶并[3,4-g]噻吩[3,2-c]异喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(TPTI)受体单元和噻吩给体单元的新型含氮D-A共轭共聚合物聚噻吩-噻吩[2’,3’：5,6]吡啶并[3,4-g]噻吩[3,2-c]异喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(PThTPTI)作为PSCs的给体材料。它的5%热失重温度可达434℃,具有较好的热稳定性能,能够达到PSCs的使用要求。该聚合物氯仿溶液和薄膜最大光谱吸收峰分别为583、623nm,同时具有较宽的吸收光谱,薄膜吸收起峰点为666nm,这也导致其适中的1.86eV光学带隙。另外,电化学分析发现PThTPTI具有低的最高占有分子轨道(HOMO)为-5.42eV,赋予电池高的开路电压(Voc)。化学添加剂(DIO)能有效提高电池的光伏性能。最佳正式电池器件具有0.92V的开路电压(Voc)、12.47mA/cm2的电流密度(Jsc),62.8%的填充因子(FF)和7.21%的光电转换效率(PCE)。反式电池ITO/ZnO/PThTPTI:PC71BM/MoO3/Ag具有更好的光伏性能,即Jsc=13.69mA/cm2,FF=65.6%和最佳PCE=7.80%。反式电池在氮气中放置长达333h后,其效率仍具有原来PCE的90%。从XRD衍射结果可以判断出PThTPTI为部分结晶行材料,这也是空穴迁移率高达1.4×10-3cm-ZV-1s-1的原因。(2)研究了含五元稠环TPTI与苯并二噻吩(BDT)衍生物或二噻吩并噻咯(DTS)衍生物共轭结构单元的新型稠环D-A高聚物(P1、P2、P3和P4)的电化学性能、吸光特性以及光伏性能。它们的5%热失重温度均达300℃以上,显示良好的热稳定性能。四个分子均具有低于-5.30eV的HOMO能级,使得电池输出高的Voc。TITP的侧链和BDT或DTS单元造就了P1与P2,P3和P4不同物理化学性能及相应的电池特性。基于P1:PC71BM混合异质节太阳能电池的最高光电转换效率(PCE)可达5.30%。(3)研究了基于四元稠环受体单元的D-A共轭聚合物光伏材料,聚{1,3-二(4’-己基噻吩基)-9H-茚并[1,2-b]噻吩[3,4-e]对二杂氮苯-9-酮-4,4-二(2-乙基己基)-4H-噻咯[3,2-b：4,5-b,]二噻吩}(P5)的热稳定性能、光吸收特性、电化学性能以及在PSCs上的应用。其光谱吸收范围达到1100nm,带隙低至1.12eV。PSCs器件的PCE达1.93%以及在EQE的响应范围达到了1020nm。
【作者】廖巧干；
【导师】廖建和；丁黎明；
【作者基本信息】海南大学，材料学，2014，硕士
【关键词】稠环D-A共轭聚合物；HOMO能级；光吸收；聚合物太阳能电池；光伏性能；

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