论文部分内容阅读
随着社会的发展能源短缺、环境污染等问题越来越严重,人们对绿色可再生能源的需求日益俱增。太阳能作为绿色无污染、可再生的能源受到人们的关注,所以近几十年来太阳能电池聚集了众多科学家的目光。而有机太阳能电池由于其质轻、价廉、柔性、可溶液加工等优点,受到国内外的广泛关注。现有文献报道的单节有机太阳能电池的最高效率已经突破了 12%。但是要实现有机太阳能电池的商业应用还面临诸多挑战,不仅要考虑器件的稳定性与优化,更重要的是新型高性能有机聚合物太阳能电池材料的设计与合成。本论文主要根据本体异质结有机太阳能电池给/受体材料的已有研究成果开展的研究工作。设计合成了三个系列的D-A型有机共轭聚合物给体材料,并研究了聚合物的热稳定性、光物理性能、电化学性能及光伏性能。主要研究内容包括以下三个方面:1.以烷氧基苯为电子给体单元、双氟联噻吩为电子受体单元合成了 D-A型共轭聚合物给体材料POPHF2T。研究表明,聚合物POPHF2T属于宽带隙给体材料,其带隙约为2.1 eV,比P3HT的带隙更宽。由于聚合物POPHF2T的LUMO能级太高,较难找到与之匹配的受体材料,但是宽带隙的给体材料是制备叠层电池、多组份电池的优选材料。基于POPHF2T/PC71BM体系的正式太阳能电池的能量转化效率为4.47%。2.设计合成了两个中等带隙的D-A共轭聚合物给体材料PSTTF2T、POTTF2T,研究了烷硫侧链、烷氧侧链对聚合物光伏性能的影响。研究发现含有烷硫侧链的聚合物PSTTF2T的HOMO能级更低、空穴迁移率更高,光伏性能效果更好,这主要是因为硫硫之间的非共价键作用大于硫氧之间的非共价键作用。基于POTTF2T/PC71BM体系和POTTF2T/ITIC体系的反式太阳能电池的能量转化效率分别为1.93%和1.69%。而基于PSTTF2T/PC71BM体系和PSTTF2T/I/IC体系的反式太阳能电池的能量转换效率分别为4.73%和5.22%。3.设计合成了四个基于苯并二噻吩二酮单元与萘并噻吩二酮单元的窄带隙D-A共轭聚合物给体材料P1、P2、P3、P4。研究发现含苯并二噻吩二酮的聚合物比萘并噻吩二酮的吸收更宽,光伏性能更好。其主要原因是苯并二噻吩二酮的醌式结构比萘并噻吩二酮的更稳定,有利于拓宽聚合物吸收,苯并[1,2-c:4,5-c’]二噻吩二酮(BDD)比苯并[1,2-b:4,5-c’]二噻吩二酮(BDTD)的分子规整性更好,有利于载流子的迁移,因此其光伏性能更好。另外,侧链从直链改为支链有利于增加聚合物的溶解性和分子的规整性,有利于提高聚合物的光伏性能。基于聚合物P1、P2、P3、P4和受体PC71BM的反式太阳能电池的能量转换效率分别为4.83%、5.72%、4.23%和 4.41%。