共轭聚合物前线轨道能级调控与光伏性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王久兴 |
| 答辩日期 | 2016-05 |
| 文献子类 | 博士 ; 学位论文 ; 博士 ; 学位论文 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 阳仁强 |
| 关键词 | 共轭聚合物 聚合物太阳能电池 前线轨道能级 |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 英文摘要 | 延伸聚合物π共轭体系和在聚合物结构中引入氟是两种改善聚合物光伏性能的方法。目前广泛使用噻吩延伸共轭体系，这种方法通常会抬高聚合物的最高占有轨道（HOMO）能级，不利于形成大的开路电压。在聚合物结构中引入氟可以降低聚合物的HOMO能级，但很多情况下聚合物的HOMO能级比最低空轨道（LUMO）能级降得更多，导致聚合物的带隙变大，不利于吸收更多的光子。本论文围绕着调控聚合物的前线轨道（HOMO和LUMO）能级开展了一系列工作，主要研究内容包括两个方面：一、研究既能延伸聚合物共轭体系又能降低聚合物HOMO能级的方法；二、设计既具有低的HOMO能级，又具有小的光学带隙的含氟聚合物。这两个方面的研究内容具体如下： 1. 我们用苯环延伸烷噻吩基苯并二噻吩聚合物的共轭体系。与噻吩相比，苯环是缺电子的。并上苯环后聚合物的HOMO和LUMO能级分别从-5.36 eV和-3.60 eV降低到-5.47 eV和-3.73 eV，光学带隙从1.76 eV降低到1.74 eV，吸收边红移至713 nm。除此之外，聚合物分子间的相互作用力大大加强，热稳定性也有所提高。并上苯环后聚合物的光伏性能有明显提高，器件的短路电流密度从9.83 mA/cm2提高到12.93 mA/cm2，能量转换效率从5.35%提高到7.30%。 2. 我们用苯环延伸烷氧苯基苯并二噻吩聚合物的共轭体系。并上苯环后，聚合物的HOMO和LUMO能级得到显著降低，分别从-5.23 eV和-3.51 eV降低到-5.49 eV和-3.78 eV，而聚合物的光学带隙基本维持不变，为1.71 eV。并上苯环后聚合物的光伏性能有小幅提高，器件的开路电压从0.83 V提高到0.84 V，短路电流密度从11.33 mA/cm2提高到12.29 mA/cm2，能量转换效率从6.23%提高到6.57%。 3. 我们把两个噻吩并在苯并噻二唑（BT）上设计了一个新的稠环结构单元——二噻吩并苯并噻二唑（fDTBT）。我们将具有曲折结构的fDTBT 和含有长“撑开”侧链的引达省并二噻吩（IDT）组合在一起构建了聚合物PIDT-fDTBT。PIDT-fDTBT是研究曲折度对聚合物光伏性能影响的理想模型。与基于BT的聚合物相比，PIDT-fDTBT的HOMO能级下降了0.08 eV，LUMO能级上升了0.2 eV，光学带隙增大到2.03 eV。PIDT-fDTBT光伏器件的开路电压得到明显改善，达到了0.90 V，但由于带隙太宽，短路电流密度减小，导致能量转换效率降低。 4. 我们将fDTBT中BT单元上的硫换成氧，合成了一个具有较强吸电子能力的曲折结构受体二噻吩并苯并噁二唑（fDTBO）。我们将fDTBO分别与烷氧基苯并二噻吩和烷噻吩基苯并二噻吩单体共聚合成了聚合物PBDTO-fDTBO与PBDTT-fDTBO。这两个聚合物的光学带隙分别是2.00 eV和1.95 eV。PBDTO-fDTBO与PBDTT-fDTBO均展现了非常深的HOMO能级，分别达到了-5.58 eV和-5.60 eV。因此，基于这两个聚合物的光伏器件的开路电压都很大，均超过了1 V。 5. 我们首次将氟引入吡啶并噻二唑（PT）聚合物结构中。含氟的PT聚合物（PDTPT-2TF）的HOMO和LUMO能级分别为-5.34 eV和-3.89 eV，与不含氟的PT聚合物（PDTPT-2T）相比，分别降低了0.11 eV和0.15 eV。PDTPT-2TF光学带隙为1.45 eV，降低了0.04 eV。X射线衍射分析表明氟使聚合物固态结构更规整。引入氟之后聚合物的光伏性能得到大幅改善。PDTPT-2T器件的能量转换效率最大值仅为2.65%，其中开路电压为0.73 V，短路电流密度为5.34 mA/cm2，填充因子为67.91%。PDTPT-2TF器件的能量转换效率最大值为8.01%，相应的开路电压为0.74 V，短路电流密度为15.52 mA/cm2，填充因子为69.73%。8.01%的能量转换效率是基于PT的聚合物太阳能电池的最高能量转换效率，而且这个能量转换效率是在没有使用添加剂以及退火等后处理的条件下实现的。 本论文的研究成果表明：一、用苯环延伸聚合物的共轭体系和增大聚合物主链的曲折度是两种既能延伸聚合物共轭体系又能降低聚合物HOMO能级的有效方法；二、在DTPT-2T聚合物中引入氟既可以降低聚合物的HOMO能级又可以减小聚合物的光学带隙。本论文对于完善有机电子学理论有着重要意义。 |
| 学科主题 | 工学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2017-07-01 |
| 源URL | [http://ir.qibebt.ac.cn/handle/337004/9761]  |
| 专题 | 青岛生物能源与过程研究所_先进有机功能材料团队 |
| 作者单位 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王久兴. 共轭聚合物前线轨道能级调控与光伏性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2016. |
入库方式： OAI收割
来源：青岛生物能源与过程研究所
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