【摘要】：有機(jī)太陽(yáng)能電池具有可溶液加工、本身易彎折柔軟性好、合成所需材料易得價(jià)廉、成品質(zhì)地輕便且透明等優(yōu)點(diǎn),從而倍受科學(xué)研究人員以及社會(huì)商業(yè)界的青睞。在當(dāng)前能源短缺形勢(shì)下,研究可再生的有機(jī)太陽(yáng)能電池更顯迫切。有機(jī)太陽(yáng)能電池給體材料的吸收光譜、能級(jí)匹配以及載流子遷移率等因素對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池光伏能量轉(zhuǎn)換效率起著關(guān)鍵作用。本文以設(shè)計(jì)并合成有機(jī)小分子給體材料、聚合物給體材料為目標(biāo),選取優(yōu)良的給體單元苯并噻二吩(BDT)為主要構(gòu)建單元,設(shè)計(jì)合成以BDT給體為主核與三聯(lián)噻吩合成的有機(jī)小分子,以BDT給體單元分別與苯并噻二唑、與1,5-二硫雜-3,7-二氮雜螺[3.3]庚-2,6-二烯合成的Donor-Acceptor(D-A)型共軛聚合物共三個(gè)光伏材料,而且對(duì)以上經(jīng)過(guò)改性的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究,以探明其對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池光伏性能有何影響。分別采用~1H-NMR、紫外-可見(jiàn)吸收光譜測(cè)試儀、高斯量子化模擬計(jì)算、原子力顯微鏡(AFM)、循環(huán)伏安測(cè)試、熱失重測(cè)試儀(TGA)等對(duì)合成的給體材料的分子結(jié)構(gòu)、薄膜形貌與粗糙度、熱穩(wěn)定性能、光吸收和電化學(xué)性能分析表征。以這三種材料作給體,以ITIC材料為受體制備光伏器件,并對(duì)器件光伏性能進(jìn)行了表征和分析。主要研究工作如下:(1)三聯(lián)噻吩(2,2':5',2''-Terthiophene,TT)結(jié)構(gòu)由于平面性較好而具有比較優(yōu)良的吸電子性和分子間π-π鍵的作用力,還可以改變烷基鏈長(zhǎng)度或增加雜原子,可以很好的調(diào)控其溶解性和帶隙等。這里設(shè)計(jì)并合成了一種三聯(lián)噻吩作為雙臂,饒丹寧作分子封端的受體單元,與用烷硫基噻吩改性過(guò)的BDT加雙邊錫物質(zhì)發(fā)生Stille偶聯(lián)反應(yīng),獲得有機(jī)給體聚合物材料(TT-BDST-TT),TT-BDST-TT具有良好的電子云分布和熱穩(wěn)定性。同時(shí),研究了TT-BDST-TT和ITIC電子受體材料的共混膜的光伏性能。其在用于制備器件時(shí),發(fā)現(xiàn)溶解性差旋涂成膜并不理想,溶解性差主要是因BDT單元的烷硫基噻吩的鏈長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的。雖然作為有機(jī)小分子光伏材料性能良好,卻無(wú)法用于光伏器件制備。(2)為研究給/受體(D-A)型共軛聚合物上受體單元中不同位點(diǎn)所連接的烷基鏈長(zhǎng)度對(duì)光伏材料性能的影響,以BDT作為核心單元,與改性的苯并噻二唑設(shè)計(jì)并合成了D-A型二維共軛聚合物BDT-BTz。并對(duì)該給體材料的光電性能、電子遷移速率和薄膜形貌等進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果表明:以苯并噻二唑(BTz)作為受體單元時(shí),因其苯環(huán)上具有多個(gè)可修飾位點(diǎn),則采取對(duì)烷基鏈改性的方法改變其長(zhǎng)度對(duì)能級(jí)的影響較小,所制備光伏器件的性能卻影響較大。該有機(jī)聚合物不僅電子云分布均勻、分子平面性好,而且受體單元的吸電子性好,有利于電子-空穴遷移。而且它的熱穩(wěn)定性好,溶解性好薄膜吸收光譜表現(xiàn)良好,能夠用于制備光伏器件�；贐DT-BTz的有機(jī)光伏器件(ITO/PEDOT:PSS/BDT-BTz:ITIC(1:1,w/w)/Ca/Al)顯示出的光伏性能良好。當(dāng)加入0.5%的1,8-二碘辛烷(DIO)并進(jìn)行退火操作后,開(kāi)路電壓和能量轉(zhuǎn)換效率分別為0.84 V、3.37%。(3)設(shè)計(jì)并合成了基于BDT為主要給體單元,1,5-二硫雜-3,7-二氮雜螺[3.3]庚-2,6-二烯為受體單元的給受體型共軛聚合物光伏給體材料BDT-NSd。在分子整體結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別連接一個(gè)噻吩單元,并在噻吩三號(hào)位置上引入烷基鏈;而B(niǎo)DT單元的噻吩烷基鏈替換成短鏈,以探明烷基鏈改性對(duì)給體材料光伏性能的影響。測(cè)試表明:有機(jī)給體材料BDT-NSd的溶液溶解性與固體薄膜成膜性都較好;其太陽(yáng)光吸收光譜涵蓋了300~700 nm的波段范圍。由于受體單元的吸電子性強(qiáng)作用,所以該有機(jī)光伏材料整體HOMO能級(jí)較低,才達(dá)到-5.41 eV。將BDT-NSd材料作為給體材料,與ITIC受體材料的能級(jí)匹配度較高,將兩者進(jìn)行以質(zhì)量1:1比例共混成薄膜,并添加0.5%DIO作修飾時(shí),光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率值為2.14%。該共軛聚合物雖然有優(yōu)良的開(kāi)路電壓和填充因子性能,但因?yàn)橥榛溙?使得給受體接觸面積過(guò)小而無(wú)法形成有效的電子填充堆積,以其為給體材料所制作的器件能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.14%。
【學(xué)位授予單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ317;TM914.4
【圖文】：

圖 1.1 太陽(yáng)能電池按照制作材料分類Tab. 1.1 Solar cells are classified according to the materials produced但無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池不僅能量?jī)斶�時(shí)間長(zhǎng)，不適宜制備柔性設(shè)備而且成本毒性大[2]。有機(jī)太陽(yáng)能電池有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)太陽(yáng)含有“無(wú)窮”光資源；(2)易得，材料合成容易；(3)器件制備方便，成本低；(4)厚度最薄，輕質(zhì)廉價(jià)；(5)可卷對(duì)卷(roll-to-roll)或?qū)訉?duì)層(layer by layer)等工藝可柔性加工大面積。有機(jī)太陽(yáng)能電池也愈加引起科研工作者和企業(yè)家聯(lián)合關(guān)注且發(fā)展?jié)摿颓熬岸疾豢上蘖俊Ｄ壳�，隨著有機(jī)太陽(yáng)能電池的不斷發(fā)展，人們?cè)谥苽浼映毓夥骷祥_(kāi)拓出新的工藝，優(yōu)化加工步驟，逐漸改進(jìn)光伏器件，使其

有機(jī)太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)光照射下，通過(guò)器件電極玻片到達(dá)共混膜活性層上這時(shí)，由入射光吸收轉(zhuǎn)換所得到的光子，會(huì)被給/受體光伏材料全部吸收。當(dāng)其被激發(fā)后，電子會(huì)進(jìn)行躍遷，生成電子-空穴對(duì)，即激子（exciton）。當(dāng)活性層材料的吸收光譜盡可能多的覆蓋太陽(yáng)光光譜的范圍時(shí)，將對(duì)太陽(yáng)光有更好的吸收。太陽(yáng)光能量輻射范圍集中在 300~700 nm，此時(shí)的光伏性能最優(yōu)。(2) 激子向外擴(kuò)散被內(nèi)部轉(zhuǎn)換吸收的光子，會(huì)在器件內(nèi)部產(chǎn)生電中性的激子，激子必須經(jīng)過(guò)擴(kuò)散到達(dá)接觸界面上。礙于激子本身的特殊性，其存在和擴(kuò)散的時(shí)間都很短，如果激子在光伏材料中的擴(kuò)散距離超過(guò) 10 nm，就會(huì)發(fā)生復(fù)合造成損失從而大大降低激子解離率。在這里，導(dǎo)致本身能量發(fā)生損失的因素有：第一，當(dāng)激子進(jìn)行擴(kuò)散的時(shí)候，進(jìn)行傳遞速率的快慢；第二，激子成功的完成解離后，會(huì)有電荷產(chǎn)生出來(lái)，而電荷傳輸?shù)浇缑嫔蠒r(shí)，會(huì)進(jìn)行分離，這個(gè)分離速率的快慢是影響因素；第三，由于激子本身的特性，在傳遞過(guò)程中，其會(huì)發(fā)生內(nèi)部復(fù)合，這個(gè)復(fù)合的多少是影響因素。這些因素在一定程度的損失，都會(huì)造成光電轉(zhuǎn)換能量降低。如圖 1.3 所示。

第一章 緒論能電池的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 1.4），一般會(huì)選用 ITO 玻的正極，它不會(huì)在光子入射時(shí)對(duì)其造成損失，并且多。而有機(jī)光伏器件的負(fù)極，常選用金屬 Al，也可屬。將有機(jī)光伏電池組件中最關(guān)鍵的光敏活性層，在兩端電極中間位置。為了使選用的 ITO玻璃薄片的界面性質(zhì)，能夠進(jìn)行自由的改變，可以在玻片電SS，旋涂修飾層；改變負(fù)極金屬性質(zhì)，采用某些活能函數(shù)都普遍要低，將這種金屬先一步進(jìn)行真空鍍就可以對(duì)負(fù)極進(jìn)行修飾[20]。由于材料組成的結(jié)構(gòu)不

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本文編號(hào)：2795619