【摘要】：利用可再生且清潔的太陽能被認為是幫助人類戰(zhàn)勝能源危機的最有效途徑之一。有機太陽能電池具有來源廣泛、制備工藝簡單、成本較低、質(zhì)量輕、可制成大面積柔性器件等優(yōu)點。在過去的20年里,通過新型有機半導體材料的開發(fā)與器件制備工藝的不斷優(yōu)化,有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)實現(xiàn)了巨大的提升,目前單節(jié)有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過15%,疊層有機太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過17%,顯示出了巨大的應用前景。為了實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化效率的進一步提升以及有機太陽能電池的最終商業(yè)化利用,活性層材料的設計與合成以及器件的制備與優(yōu)化仍然是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。第一部分工作中,我們課題組合成了三種基于雙氟苯并惡二唑(ffBX)的給體聚合物,并被命名為PffBX-T,PffBX-TT和PffBX-DTT,分別含有噻吩(T),噻吩并[3,2-b]噻吩(TT)和二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]噻吩(DTT)作為π-間隔基團。溫度依賴吸收光譜測試發(fā)現(xiàn)隨著π-間隔基團尺寸變大,聚合物聚集強度按照PffBX-T,PffBX-TT和PffBX-DTT的順序增加。具有中等聚集強度的PffBX-TT能夠在電池活性層的制備過程中實現(xiàn)良好的無序-有序轉(zhuǎn)變,基于PffBX-TT:PC_(71)BM的有機太陽能電池獲得最佳的共混膜形態(tài)和最高光電轉(zhuǎn)化性能(9.10%),同時也發(fā)現(xiàn)活性層厚度可達250 nm。然而當聚集強度更大的PffBX-DTT和偏小的PffBX-T分別利用PC_(71)BM作為受體材料制備有機太陽能電池時,平均光電轉(zhuǎn)化效率分別降至6.54%和1.33%,性能下降主要是由于共混膜形成過程沒有得到良好控制的導致不太良好的共混膜形貌,從而致使短路電流密度減小。雖然基于PffBX-DTT和PffBX-T有機太陽能電池性能下降了,但是我們依舊得到了厚膜太陽能電池。當使用非富勒烯IT-4F作為受體材料制備器件時也觀察到類似的器件性能趨勢,所得到的器件也屬于厚膜太陽能電池。這些實驗結(jié)果表明含有ffBX單元的聚合物是制備厚膜太陽能電池的有前途候選者。除此之外,這些實驗結(jié)果也表明對于ffBX的聚合物體系,聚合物聚集強度調(diào)節(jié)對于實現(xiàn)最佳本體異質(zhì)結(jié)共混膜形態(tài)和高的器件性能是非常重要的。第二部分工作中,我們組開發(fā)了新型基于鄰苯二甲酰亞胺(PhI)的中等帶隙給體聚合物PhI-ffBT和ffPhI-ffBT,隨后將其用于制備非富勒烯有機太陽能電池并取得較高的效率。與迄今為止報道的所有高性能聚合物(全部是基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT))相比,PhI-ffBT和ffPhI-ffBT均不含BDT單元,且具有D-A1-D-A2型骨架。摻入第二受體單元雙氟苯并噻二唑(ffBT)后導致這些聚合物有低的HOMO能級,顯示出與窄帶隙非富勒烯受體材料IT-4F互補的吸收和匹配的能級分布。通過系統(tǒng)的器件優(yōu)化工程,最終含有基于雙氟鄰苯二甲酰亞胺的聚合物ffPhI-ffBT的電池器件最高獲得12.74%光電轉(zhuǎn)化效率。與基于ffPhI-ffBT的裝置相比,基于鄰苯二甲酰亞胺的聚合物PhI-ffBT的電池器件顯示出進一步增高的光電轉(zhuǎn)化效率(13.31%),值得一提的是,13.31%的效率是除了廣泛研究的基于BDT的聚合物外的最高值,并且在所有基于ffBT的聚合物中也是最高的。實驗結(jié)果表明鄰苯二甲酰亞胺是極佳的用于構(gòu)建的高效率非富勒烯太陽能電池的構(gòu)建單元,D-A1-D-A2型聚合物分子骨架結(jié)構(gòu)設計策略對于調(diào)節(jié)聚合物性能和提高光伏性能是非常有效的。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4
【圖文】：

圖 1-1 常見有機太陽能電池器件結(jié)構(gòu)a) 單層肖特基結(jié)構(gòu) b) 雙層 D/A 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) c) D/A 本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) d) 疊層結(jié)構(gòu)前文已經(jīng)討論，有機太陽能電池活性層內(nèi)激子擴散長度僅有 10 20 nm，這導致在上圖 1-1a)與 b)兩種器件結(jié)構(gòu)下，大多數(shù)激子無法擴散到異質(zhì)結(jié)表面實現(xiàn)載流子分離，從而導致效率較低[3, 25]。結(jié)構(gòu) c)是目前應用最廣泛的有機太陽能電池結(jié)構(gòu)，在這種器件結(jié)構(gòu)下，給體與受體材料可以實現(xiàn)在活性層內(nèi)的充分共混，因此在活性層內(nèi)可以形成無數(shù)個給受體界面，使有機太陽能電池激子的分離可以發(fā)生在整個活性層內(nèi)，因此與上面的單層肖特基結(jié)構(gòu)與雙層 D/A 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)相比較，極大的提高了激子的解離率，使器件的效率和性能大大提高。最后一種疊層器件結(jié)構(gòu)是兩個或者多個本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池通過串聯(lián)或者并聯(lián)方式制備的，這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池可以最大限度的吸收太陽光譜，提高對太陽光的利用率；而且串聯(lián)結(jié)構(gòu)下疊層太陽能電池可以實現(xiàn)子前后子電池電壓的疊加，極大的提高器件的開路電壓，從而獲得較高的光電轉(zhuǎn)化效率，不過這種結(jié)構(gòu)存在制備工藝復雜的缺點。除了上述的四種結(jié)構(gòu)外，最近一種名為 Layer-by-Layer 結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池也受到了廣泛的關(guān)注，這種結(jié)構(gòu)不同于雙層 D/A 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，Layer-by-Layer 結(jié)構(gòu)下的有機太陽能電池活性層可以形成 D/D:A/A 的組份分布，在這種結(jié)構(gòu)下的有機太陽能電池也

圖 1-2 基于本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池工作原理:（1）激子產(chǎn)生；（2）激子擴散；（3）激子解離；（4）電荷移動；（5）電荷提取；（6）電荷復合[27]。除了會導致效率下降的電荷復合過程，有機太陽能電池的光能到電能的轉(zhuǎn)化過程主要包括（1）激子產(chǎn)生（光吸收過程）；（2）激子擴散；（3）激子解離（電荷的轉(zhuǎn)移和分離）；（4）電荷移動；（5）電荷提取（電荷被正負極收集）。第一步激子的產(chǎn)生是由于有機太陽能電池活性物質(zhì)吸收光后電子從HOMO能級跳躍到LUMO能級，在 HOMO 能級上產(chǎn)生空穴，LUMO 能級上的電子與 HOMO 能級上空穴通過庫侖作用束縛在一起形成電子-空穴對，被稱為激子。第二步是激子的擴散過程，激子通過自由擴散到達給/受體兩相界面處實現(xiàn)電荷的分離，由于有機太陽能電池內(nèi)激子的擴散距離只有 10 20nm, 因此形成給/受體合適相分離尺寸的連續(xù)互穿網(wǎng)絡是保障有機太陽能電池實現(xiàn)高效率的重要基礎。第三步激子在給體和受體材料兩相界面處分離，由于在有機太陽能電池內(nèi)光激發(fā)產(chǎn)生的 Frenkel 激子，激子結(jié)合能較大，單憑某個給體或者受體材料光照后產(chǎn)生的微弱內(nèi)建電場是無法實現(xiàn)激子的分離，只有當激子擴散至給體與受體材料界面處時，由于給體和受體之間的電子親和勢(electron affinity)的不同，該能級差就是實現(xiàn)有機太陽能電池激子分離的驅(qū)動力。值得注意的是在激子的解離過程中還會形成電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(chargetransferstate)，

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文受體材料所行成的通道內(nèi)移動，空穴在給體材料所形成的通電子向著低電勢的負極移動，帶正電荷的空穴向著高電勢正負電荷分別被器件的正負極提取，由此行成了光伏效應太陽能電池性能參數(shù)及其調(diào)控策略陽能電池的輸出特性大多用電流密度 電壓(J V)曲線來表

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 田禾;;有機太陽能電池有望商品化[J];國際學術(shù)動態(tài);2002年01期

2 ;我國科學家研獲高性能柔性有機太陽能電池[J];軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品;2019年11期

3 ;我國科學家研獲高性能柔性有機太陽能電池[J];浙江化工;2019年11期

4 陳立桅;;通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控方法實現(xiàn)非富勒烯型有機太陽能電池在綠色溶劑中的應用[J];物理化學學報;2019年12期

5 ;德國開發(fā)基于半透明有機太陽能電池材料的智能太陽鏡[J];軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品;2017年15期

6 黃輝;;有機太陽能電池的發(fā)展、應用及展望[J];工程研究-跨學科視野中的工程;2017年06期

7 李昂;;有機太陽能電池材料研究新進展[J];電子世界;2018年06期

8 ;柔性有機太陽能電池研究取得進展[J];人工晶體學報;2018年05期

9 拉迪婭;;有機太陽能電池以及工作方式分析（英文）[J];現(xiàn)代鹽化工;2018年03期

10 ;我國科學家在有機太陽能電池領域取得重要突破[J];浙江化工;2018年08期

相關(guān)會議論文 前10條

1 賈博宇;陸恒;占肖衛(wèi);;基于十一并稠環(huán)電子受體的有機太陽能電池[A];第五屆新型太陽能電池學術(shù)研討會摘要集（有機太陽能電池篇）[C];2018年

2 胡拯豪;張福俊;安橋石;;基于二元器件互補的光伏參數(shù)制備三元有機太陽能電池[A];第五屆新型太陽能電池學術(shù)研討會摘要集（有機太陽能電池篇）[C];2018年

3 高亮;張志國;李永舫;;基于給受體吸收互補的高效全聚合物有機太陽能電池[A];中國化學會第30屆學術(shù)年會摘要集-第二十二分會：有機光伏的機遇和挑戰(zhàn)[C];2016年

4 童金輝;熊思醒;毛霖;周印華;;柔性多結(jié)有機太陽能電池:高電壓及大面積化[A];中國化學會第30屆學術(shù)年會摘要集-第二十二分會：有機光伏的機遇和挑戰(zhàn)[C];2016年

5 張有丹;張浩力;;并五苯衍生物的單線態(tài)裂分及其在有機太陽能電池中的應用[A];第一屆新型太陽能電池暨鈣鈦礦太陽能電池學術(shù)研討會論文集[C];2014年

6 高興宇;楊迎國;季庚午;鄭官豪杰;;有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池制備中的同步輻射表征及其構(gòu)效關(guān)系研究[A];第一屆新型太陽能電池暨鈣鈦礦太陽能電池學術(shù)研討會論文集[C];2014年

7 孫倩倩;張�？�;張苗;;通過極性溶劑浸潤的方法提高有機太陽能電池的性能[A];第二屆新型太陽能電池學術(shù)研討會論文集[C];2015年

8 Zhengguo Xiao;Qingfeng Dong;Wenjing Tian;Hui Huang;Jinsong Huang;;極性小分子對有機太陽能電池性能的提升（英文）[A];第二屆新型太陽能電池學術(shù)研討會論文集[C];2015年

9 張苗;張福俊;;兩步倒置處理協(xié)同三元策略制備高效率全小分子有機太陽能電池[A];第四屆新型太陽能電池學術(shù)研討會論文集[C];2017年

10 石慧;夏若曦;孫辰;肖經(jīng)洋;吳志鴻;黃飛;葉軒立;曹鏞;;基于界面工程及光學調(diào)控的高效半透明有機太陽能電池[A];第四屆新型太陽能電池學術(shù)研討會論文集[C];2017年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 記者 孫玉松 通訊員 吳軍輝;17.3%! 中國科學家刷新有機太陽能電池轉(zhuǎn)化效率[N];科技日報;2018年

2 本報記者 張晶晶 通訊員 吳軍輝;有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率世界之“最”誕生記[N];中國科學報;2019年

3 記者 劉曉倩;蘭州大學等揭示全小分子有機太陽能電池設計思路[N];中國科學報;2019年

4 本報見習記者 辛雨;有機太陽能電池進化出“新物種”[N];中國科學報;2019年

5 本報記者 陳建強 劉茜 本報通訊員 吳軍輝;我科學家研獲高性能柔性有機太陽能電池[N];光明日報;2019年

6 記者 劉霞;有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化率創(chuàng)紀錄[N];科技日報;2018年

7 記者 陳建強 劉茜 通訊員 吳軍輝;我科學家刷新有機太陽能電池轉(zhuǎn)化光電率最高紀錄[N];光明日報;2018年

8 通訊員 吳軍輝 記者 馮國梧;有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化率達12.7%[N];科技日報;2016年

9 記者 邱登科;有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率大幅提高[N];民營經(jīng)濟報;2016年

10 華凌;小分子有機太陽能電池增效50%[N];科技日報;2013年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 Danish Khan;碳納米管在有機太陽能電池中的應用[D];華北電力大學(北京);2019年

2 劉莎;高效有機太陽能電池及其器件特性研究[D];華南理工大學;2019年

3 馬丹陽;有機太陽能電池小分子受體材料的設計、合成與光伏性能研究[D];北京化工大學;2018年

4 毛霖;大面積有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)與毛筆印刷技術(shù)研究[D];華中科技大學;2018年

5 梁銓斌;有機太陽能電池的載流子動力學研究[D];華南理工大學;2018年

6 秦云朋;基于非富勒烯受體的聚合物光伏電池器件研究[D];北京科技大學;2019年

7 劉曉鳳;基于三蝶烯和傒二酰亞胺構(gòu)筑新型三維有機太陽能電池受體材料[D];北京理工大學;2017年

8 張馨元;納米材料在有機太陽能電池中的應用研究[D];吉林大學;2019年

9 王文艷;基于金屬銀納米結(jié)構(gòu)改善有機太陽能電池光吸收性能的研究[D];太原理工大學;2017年

10 苗洋;具有N型大π共軛結(jié)構(gòu)的有機光伏材料的合成及應用[D];吉林大學;2018年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 尹攀;基于小分子受體的三元有機太陽能電池的構(gòu)筑和性能研究[D];湘潭大學;2019年

2 黃茁豪;基于含卟啉基元聚合物的有機太陽能電池形貌調(diào)控及三元共混體系研究[D];湘潭大學;2019年

3 吳一雪;溶液法復合氧化物的合成及在有機太陽能電池中的應用研究[D];湘潭大學;2019年

4 朱佳寧;基于引達省并二噻吩和引達省并二噻吩并噻吩的有機光伏材料的合成及其性能研究[D];湘潭大學;2019年

5 劉思奇;共軛聚合物和富勒烯作為增容劑優(yōu)化有機太陽能電池活性層薄膜形貌[D];南昌大學;2019年

6 譚蕓;基于極性基團調(diào)控有機太陽能電池電子傳輸層界面特性的研究[D];南昌大學;2019年

7 張立福;高效三元有機太陽能電池活性層形貌的精確調(diào)控與穩(wěn)定性的研究[D];南昌大學;2019年

8 余鄒康寧;硫醇調(diào)控有機太陽能電池活性層形貌提高穩(wěn)定性的機理研究[D];南昌大學;2019年

9 廖志輝;側(cè)鏈工程調(diào)控寬帶隙聚合物給體優(yōu)化有機太陽能電池性能[D];南昌大學;2019年

10 王薇;基于環(huán)境友好溶劑的高性能有機太陽能電池[D];哈爾濱工業(yè)大學;2019年

本文編號：2778126