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含噻吩和噻唑基元的共轭聚合物的合成和光伏性能研究

国霞  
【摘要】: 由于聚合物太阳能电池(PSCs)与传统无机太阳能电池相比具有制备工艺简单、造价低廉、可制成超薄、大面积柔性器件等优点而倍受关注。但目前聚合物太阳能电池的能量转化效率以及稳定性与无机太阳能电池相比还比较低,还不能实际应用。为了提高聚合物太阳能电池的性能,本论文主要从制约聚合物太阳能电池转化率中共轭聚合物材料的关键影响因素考虑,以拓宽聚合物光伏材料的吸收光谱和调节聚合物能级结构等为出发点,设计合成了三个系列的共轭聚合物太阳能电池新材料。对它们进行了1H-NMR、元素分析等结构表征,同时进行了分子量、热性能基本性能表征,以及紫外-可见吸收分析和电化学分析。分别以它们为光伏材料,制备了本体异质结光伏器件,讨论了光活性层以及光伏器件的性能。具体如下: 1.合成了共聚物(PBDTV),其吸收范围为300-620 nm,覆盖了可见光区内的大部分范围。该材料相对于聚噻吩乙烯等材料来说,热性能和光致发光性能优良。其LUMO和HOMO能级分别为-2.82 eV和-5.16 eV。以聚合物和PC71BM的质量比为1:4制备器件,在AM 1.5, 100 mW/cm2的光照射下,聚合物太阳能电池的开路电压为0.71 V,能量转化效率达到了2.63%。 2.通过不同烷基取代的噻唑和乙烯共聚得到共聚物P1和P2。两个聚合物的吸收光谱覆盖了整个可见光区,噻唑单元的引入有效降低了聚合物的HOMO能级和LUMO能级,两个聚合物的HOMO能级分别达到了-5.32 eV和-5.35 eV。不同烷基对于聚合物的光物理性能和电化学性能的影响不大。以聚合物和PC61BM的质量比为1:1制备器件,在AM 1.5, 100 mW/cm2的光照射下,聚合物的太阳能电池的能量转化效率分别为0.21%和0.15%。 3.制备了用烷基取代联噻唑分别和2,7-二(4’,4’,5’,5’-四甲基-1’,3’,2’-二氧杂戊硼烷-2’-基)-N-9’-十七烷基咔唑以及2,6-二三甲基锡-N-2-乙基己基-二噻并[3,2-b:2’,3-d’]吡咯共聚的D-A共聚物P3和P4。给体单元的改变使聚合物的吸收光谱、电子能级以及光伏性能有明显变化。聚合物P4的吸收光谱相对P3红移,最大吸收峰从472 nm红移到了540 nm;但是聚合物的HOMO能级则由P3的-5.44 eV增大到P4的-4.76 eV。以聚合物和PC61BM的质量比为1:1制备器件,在AM 1.5, 100 mW/cm2的光照射下,两种聚合物的太阳能电池的开路电压和能量转化效率分别为0.82 V,0.3%和0.28 V,0.06%。


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