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《西北工业大学》 2016年
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偶氮苯共轭聚合物的合成及其在聚合物太阳能电池中的应用研究

胡洪超  
【摘要】:聚合物太阳能电池还不能得到大规模商业应用的原因在于高昂的成本。各种新型聚合物太阳能电池材料的研究侧重于提高光伏转化效率,因此材料的分子结构越来越复杂。开发成本低廉,合成工艺简单的新型材料是聚合物太阳能电池研究值得考虑的新思路。偶氮苯共轭聚合物原料来源广泛、合成工艺简单,具有良好的光电性能,但却较少被研究,更没被用于聚合物太阳能电池。围绕偶氮苯共轭聚合物的开发及其在聚合物太阳能电池中应用,首先用计算机辅助设计和分析了偶氮苯聚合物的分子结构;在此研究的基础上合成并表征偶氮苯聚合物;为制作聚合物太阳能电池而合成并纯化了[60]PCBM,其被用作太阳能电池的受体材料;对聚合物太阳能电池光伏转换的宏观和微观机制进行了理论研究,为聚合物太阳能电池的制作及材料选择提供依据;制作偶氮苯聚合物太阳能电池,并研究了给体材料/受体材料比例、热处理工艺对能量转换效率的影响。通过这些研究得出以下一些结论:(1)聚邻苯二胺和聚邻氨基苯酚分子链中可以存在顺式结构和反式结构,聚间苯二胺和聚对苯二胺分子链只能存在反式结构。偶氮苯共轭聚合物以界面反应的方式增长分子链,聚合物分子量不大,且分布不均。(2)偶氮苯聚合物的最佳合成条件:邻苯二胺,间苯二胺和对苯二胺的反应p H值宜在2.0左右,邻氨基苯酚的反应p H值宜在10.0左右;反应进行24 hr即可完全;反应温度在0-5℃能获得高产率;邻苯二胺和间苯二胺与Na NO2的摩尔比为1.1时产率最高,间苯二胺与Na NO2适宜的摩尔比为1.5,邻氨基苯酚与Na NO2适宜的摩尔比为1。(3)IR、1HNMR和GPC对偶氮苯聚合物的表征结果与模拟分析吻合。通过控制Na NO2与原料反应摩尔比和掺杂I2比例可以提高聚合物的导电性。其中,聚邻氨基苯酚在掺杂率为0.2时,电导率达1.798 S·cm-1。(4)结合HPLC分离技术对[60]PCBM深度纯化,纯度由95.8%提高至99.5%。将回收的C60、副产物和新鲜C60一起重新投入反应体系,[60]PCBM收获率由34%提高至93.3%。(5)对聚合物太阳能电池的模拟得出一些太阳能电池效率的影响因素。减少Rs即接触电阻和有机薄层电阻,填充因子FF往100%移动,提高光伏效率;增大分流电阻Rp也即减少载流子在D/A界面和电极附近复合,能明显增大开路电压Voc和填充因子FF,显著提升光伏效率效率,但增大到一定程度将不再起作用;增大光激发电流IL将会使光伏效率效率显著增加。(6)对聚合物太阳能电池的微观分析为材料选择提供依据。给体材料的能级Eg的范围是1.2e V至1.7e V,给体材料LUMO能级-3.9e V至-4.0e V,HOMO能级是-5.1e V至-5.7e V,其效率可达到10.0%-10.7%之间。(7)采用喷墨打印技术制作聚合物太阳能电池,偶氮苯聚合物与[60]PCBM比例为7:3时,太阳能电池光伏转化效率最高。聚合物太阳能电池2℃/min的降温速度和2次热处理可获得较高的太阳能电池能量转化效率。聚邻氨基苯酚太阳能电池转换效率达到1.012%。偶氮苯共轭聚合物具有良好的光电性能,制作的偶氮苯聚合物太阳能电池效率与10%能量转化目标还有很大距离,其原因包括制作工艺和材料的影响。偶氮苯共轭聚合物的分子基团修饰、分子链的增长和纯化是其能在聚合物太阳能电池及其他方面成功应用的关键。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM914.4

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