太陽能電池是一種將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù),是太陽能開發(fā)利用的重要研究方向。其中,有機(jī)太陽能電池作為一種新型的太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù),具有材料廣泛、質(zhì)量輕、成本低和可通過溶液法“卷對卷”大規(guī)模制備的特點(diǎn),因而備受關(guān)注。近年來,得益于有機(jī)光伏材料的創(chuàng)新發(fā)展以及器件制備工藝的不斷發(fā)展,有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)已突破14%,顯示出了極好的應(yīng)用前景。本論文對有機(jī)太陽能電池的發(fā)展歷程進(jìn)行了簡單介紹,對有機(jī)太陽能電池聚合物給體材料進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和闡述。針對目前高性能有機(jī)太陽能電池給體材料種類有限、設(shè)計(jì)缺乏切實(shí)可行的理論指導(dǎo)等問題,本文設(shè)計(jì)合成了一系列新型烷硫基取代的二維苯并二噻吩(BDT)給體單元及相應(yīng)的D-A型聚合物給體材料,研究了聚合物給體材料的光物理、電化學(xué)性能,以及聚合物材料在溶液加工本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件(OPV)中的光伏性能。同時(shí),進(jìn)一步研究了材料的電荷傳輸性能和活性層材料的膜形貌。獲得了多個(gè)光伏性能優(yōu)異的聚合物給體材料,揭示了分子結(jié)構(gòu)與材料光伏性能的關(guān)系,提供了一種通過側(cè)鏈烷硫基修飾BDT單元提高開路電壓(VoC)的材料設(shè)計(jì)思路。本論文的研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下:1)設(shè)計(jì)合成了一種基于萘硫烷側(cè)鏈修飾的二維BDT給體單元BDTNS,并以BDD為吸電子受體單元,制備了聚合物給體材料PBDTNS-BDD。同時(shí),合成了基于萘氧烷側(cè)鏈修飾的二維BDT的聚合物材料PBDTNO-BDD作為對比。通過對兩個(gè)聚合物材料吸收光譜及電化學(xué)性能的研究可以發(fā)現(xiàn),與氧原子相比,硫原子的引入能夠在維持吸收光譜不變的同時(shí)有效降低材料的HOMO能級(jí)。通過與受體材料PC71BM和ITIC共混,研究了兩種聚合物給體材料在富勒烯和非富勒烯體系中的光伏性能。結(jié)果表明,烷硫基修飾的聚合物給體材料在兩種受體材料體系中均表現(xiàn)出更高的Voc和更好的光伏性能。其中,在富勒烯太陽能電池中,PBDTNS-BDD 的 PCE 為 8.70%,Voc為 0.91 V(vs.6.64%,0.85 V);在非富勒烯太陽能電池中,PBDTNS-BDD表現(xiàn)出更佳的性能,PCE為9.28%,Voc為0.94 V(vs.7.05%,0.87 V)。該研究表明,烷硫側(cè)鏈比烷氧側(cè)鏈更有利于提升材料的光伏性能2)將萘硫烷側(cè)鏈修飾的二維BDT給體單元BDTNS與不同的吸電子受體單元共聚,合成了多種窄帶隙聚合物給體材料。研究了給體材料的吸收光譜和電化學(xué)性能。以PC71BM為受體材料,系統(tǒng)研究了基于給體單元BDTNS的不同D-A型給體材料在富勒烯體系中的光伏性能。其中,烷氧BO吸電子基團(tuán)為受體單元的窄帶隙D-A型聚合物PBDTNS-DTBO表現(xiàn)出較好的光伏性能,PCE為8.02%。該研究表明,BDTNS單元可構(gòu)建多種高性能D-A型聚合物給體材料。3)設(shè)計(jì)合成了一種聯(lián)苯硫烷側(cè)鏈修飾的二維BDT給體單元BDTBPS,并以FTAZ弱吸電子基團(tuán)為受體單元,制備了基于BDTBPS的寬帶隙聚合物給體材料PBDTBPS-FTAZ。聚合物PBDTBPS-FTAZ與ITIC共混制備的太陽能電池表現(xiàn)出良好的光伏性能。由于聯(lián)苯硫烷側(cè)鏈的影響,器件表現(xiàn)出較高的Voc和短路電流(Jsc),PCE可達(dá)11.60%(Voc為0.914V,Jsc為18.02mA/cm2,FF為70.43%)。同時(shí),在非富勒烯體系中,PBDTBPS-FTAZ也表現(xiàn)出較好的光伏性能,PCE為7.21%。結(jié)果表明,通過側(cè)鏈烷硫基修飾BDT單元不僅能夠降低HOMO能級(jí),也能提高填充因子。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM914.4
【部分圖文】：

??池器件結(jié)構(gòu)，如圖１．２所示’。這種雙層異質(zhì)結(jié)電池和單層電池在光電轉(zhuǎn)化機(jī)理??上有根本的區(qū)別：在雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，活性層激發(fā)而產(chǎn)生的激子并不需??要擴(kuò)散到活性層與電極界面處發(fā)生解離，而是在給受體材料的界面處將空穴和電??子分別傳輸?shù)浇o體材料的ＨＯＭＯ１能級(jí)和受體材料的ＬＵＭＯ能級(jí)，這種轉(zhuǎn)化機(jī)制??大幅度提高了電池的光電轉(zhuǎn)化效率，該結(jié)構(gòu)的太陽能電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到１％，相??比單層電池有了極大的提升。然而，有機(jī)半導(dǎo)體材料的激子壽命很短，導(dǎo)致其傳??輸距離有限，因此只有在界面兩側(cè)約５－１４ｎｍ范圍內(nèi)的激子能夠順利到達(dá)界面處??實(shí)現(xiàn)激子分離，而超出此范圍的激子并不能到達(dá)界面處發(fā)生激子分離產(chǎn)生光電流。??Ｉ?負(fù)極?Ｉ??茈酰亞胺???鈦答銅????ＩＴＯ???????圖１．２雙層太陽能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖??１９９５?年

??池器件結(jié)構(gòu)，如圖１．２所示’。這種雙層異質(zhì)結(jié)電池和單層電池在光電轉(zhuǎn)化機(jī)理??上有根本的區(qū)別：在雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，活性層激發(fā)而產(chǎn)生的激子并不需??要擴(kuò)散到活性層與電極界面處發(fā)生解離，而是在給受體材料的界面處將空穴和電??子分別傳輸?shù)浇o體材料的ＨＯＭＯ１能級(jí)和受體材料的ＬＵＭＯ能級(jí)，這種轉(zhuǎn)化機(jī)制??大幅度提高了電池的光電轉(zhuǎn)化效率，該結(jié)構(gòu)的太陽能電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到１％，相??比單層電池有了極大的提升。然而，有機(jī)半導(dǎo)體材料的激子壽命很短，導(dǎo)致其傳??輸距離有限，因此只有在界面兩側(cè)約５－１４ｎｍ范圍內(nèi)的激子能夠順利到達(dá)界面處??實(shí)現(xiàn)激子分離，而超出此范圍的激子并不能到達(dá)界面處發(fā)生激子分離產(chǎn)生光電流。??Ｉ?負(fù)極?Ｉ??茈酰亞胺???鈦答銅????ＩＴＯ???????圖１．２雙層太陽能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖??１９９５?年

?活性層／Ｃａ／Ａｌ，反型器件的結(jié)構(gòu)通常為：ＩＴＯ／金屬氧化物／活性層／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／Ａｇ，??器件結(jié)構(gòu)如圖１．４所示。兩類電池的活性層均為本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，兩者的區(qū)別主??要在于：正型電池以ＩＴＯ為陽極材料，ＰＥＤＯＴ：?ＰＳＳ為空穴傳輸層材料，鈣、鋁??等低功函數(shù)金屬為陰極材料；而反型電池以ＩＴＯ為陰極材料，氧化鋅等金屬氧化??物為電子傳輸層材料，金、銀等高功函數(shù)的金屬為陽極材料。??■?Ｉ?Ａ１?Ｉ?Ｉ?Ａｇ?Ｉ??界面層?ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ??活性層?活性層??ＰＥＤＱＴ：ＰＳＳ?Ｉ?金屬氧化物???ＩＴＯ玻璃???ＩＴＯ玻璃???圖１．４太陽能電池正型器件和反型器件結(jié)構(gòu)示意圖??１．２．３有機(jī)太陽能電池的重要參數(shù)及材料設(shè)計(jì)理念??太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率（ＰＣＥ）指的是電池的最大輸出功率與入射光光??照強(qiáng)度的百分比，ＰＣＥ＝?（Ｆｏｃｘ＆ｘＦＦ）?／Ｐｉｎ，其中，Ｆｏｅ為開路電壓，Ａｃ??為短路電流密度，ＦＦ為填充因子。由公式可知，ＰＣＥ取決于太陽能電池的三個(gè)??參數(shù)，Ｂ卩：Ｋ０Ｃ，Ｊｓｃ以及ＦＦ。而這三個(gè)參數(shù)與給體材料的電化學(xué)、光物理等性??質(zhì)密切相關(guān)［２１＾：??１）化學(xué)能級(jí)：給受體材料需有匹配的ＨＯＭＯ能級(jí)和ＬＵＭＯ能級(jí)。Ｆｏｃ主要??取決于給體材料ＨＯＭＯ能級(jí)和受體材料ＬＵＭＯ能級(jí)之間的能級(jí)差（圖１．５），??即廠ｏｃ〇＾Ｅ〇ｉｍｏ－Ｅｈ〇ｍｏ；能量損失（Ｅｉ〇ｓｓ）通常取決于給體材料的光學(xué)帶隙和電池??的開路電壓
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