含噻吩乙烯基PPV衍生物和超支化聚合物的光伏性能研究

论文摘要

随着不可再生能源的消耗,人们越来越重视太阳能的开发和利用。聚合物太阳能电池由于其制备简单、重量轻、造价低廉、容易制备大面积柔性器件等优点得到广泛关注。聚合物给体材料窄的吸收光谱是制约其光电转换效率的关键因素之一,因此设计合成宽吸收的聚合物给体材料是一种获得较高光电转换效率的有效途径。聚对苯撑乙烯（PPV）及其衍生物,在制备聚合物太阳能电池中得到了广泛的应用和深入的研究。利用共轭侧链来拓宽光伏材料的吸收光谱是一种切实可行的方法,目前已有文献报道,但其中多为聚噻吩的主链结构。本文合成了两种以PPV为主链、噻吩乙烯为侧链的共轭聚合物（P1和P2）,并研究了它们的光物理和光伏性质。研究结果表明由于侧链与主链能够有效的共轭,使得侧链上的取代基对于聚合物性质的影响变得更加明显。随着给电子性的共轭噻吩乙烯侧链的加入,聚合物的吸收光谱得到了拓宽和红移,电化学带隙也有明显的降低。基于聚合物P1和P2的器件能量转化效率分别为0.1%和0.17%。超支化共轭聚合物具有良好的溶解和成膜性能,并且因为其扭曲的分子空间结构而具有良好的电荷分离及不可逆的光致能量转移特性,这大大降低了载流子复合的几率并提高了无辐射跃迁的量子效率。另外超支化聚合物链的共轭长度分布较宽,吸光范围较宽,也有利于太阳能电池器件效率的提高。本文采用一种A3+B2的Wittig-Horner反应合成了一种含对苯撑乙烯和噻吩乙烯基团的新型超支化共轭聚合物,并对其光物理性质、电化学性质和光伏性能进行了表征。结果表明聚合物膜在300 nm到608 nm范围内均有吸收,吸收光谱和荧光光谱都表明聚合物薄膜形成了良好的π-π堆砌结构。电化学测试表明聚合物的能隙较低,为2.01 eV。基于该聚合物的光伏器件能量转化效率为0.09%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 聚合物太阳能电池原理
• 1.2.1 光电响应机理
• 1.2.2 激子分离原理
• 1.3 聚合物太阳能电池的器件结构
• 1.3.1 单层器件
• 1.3.2 电子给体/受体（D/A）的双层器件
• 1.3.3 本体异质结（bulk-heterojunction）结构
• 1.4 太阳能电池的输出特性——I-V特性曲线
• 1.5 影响聚合物太阳能电池效率的因素
• 1.5.1 光敏层组分对太阳光谱响应范围的影响
• 1.5.2 光敏层组分形貌的影响
• 1.5.3 材料的载流子迁移率
• 1.5.4 电极材料及界面的影响
• 1.6 聚合物给体材料
• 1.6.1 聚对苯撑乙烯类（PPV）
• 1.6.2 聚噻吩类（PT）
• 1.6.3 苯并噻二唑类聚合物给体材料
• 1.6.4 噻吩并噻二唑类聚合物给体材料
• 1.6.5 苯并吡嗪类聚合物给体材料
• 1.6.6 咔唑类聚合物给体材料
• 1.6.7 共轭侧链型聚合物给体材料
• 1.6.8 超支化共轭聚合物
• 1.7 电子受体材料
• 1.8 论文的设计思想与研究内容
• 第2章 含噻吩乙烯基侧链的PPV衍生物的合成与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器和试剂
• 2.2.2 单体和聚合物的合成
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 单体和聚合物结构
• 2.3.2 热性能
• 2.3.3 紫外吸收及光致发光性能
• 2.3.4 电化学测试及分析
• 2.3.5 光伏器件研究
• 2.4 本章小节
• 第3章 含噻吩乙烯基的超支化共轭聚合物的合成与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器和试剂
• 3.2.2 单体和聚合物的合成
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 单体和聚合物结构
• 3.3.2 热性能
• 3.3.3 紫外吸收及光致发光性能
• 3.3.4 电化学测试及分析
• 3.3.5 光伏器件研究
• 3.4 本章小节
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文目录