光电高分子材料.ppt

光电转化高分子材料 高材112 曹洋 刘一凡 胡益鸣 徐善杰 张兵 麻存仁 光电高分子材料 物理化学功能材料 电学功能材料 如导电性高分子 超导性高分子 感电性高分子等光学功能材料 如感光性高分子 导光性高分子 光敏性高分子等能量转换功能材料 如压电性高分子 热电性高分子等 信息科学中的高分子材料 导电高分子材料光敏高分子材料高分子光传输材料 光电转化高分子材料 全塑光缆 高分子光传输材料 1970年美国康宁公司研制出石英玻璃光导纤维 同年贝尔又试制成半导体激光器 这两项新技术的结合 开创了光信息传输的新时代 玻璃光纤具有传输带宽大 损耗低 抗电磁干扰 节约能源的优点 硅的终结者 导电高分子材料 什么是导电高分子 要使高分子材料导电就必须能模拟金属的行为 亦即电子必须能不受原子的束缚而能自由移动 要达到此目的的第一个条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双键 亦称为 共轭 双键 为了使共轭高分子导电 必须要做参杂 这和半导体经过参杂后提高导电率类似 光敏高分子材料 光敏高分子化学是高分子化学与光化学两个极为重要的学科交叉的产物 光化学是指在光作用下发生的化学变化 光化学反应的重要特点在于它的选择性 反应物分子只有吸收特定的波长的光才能发生反应 一般化学反应的反应物要通过一个能量较高的过渡状态再生成产物 如爬山 与此不同 光化学反应的反应物好像是处于颠峰上的物质 它的反应意味着选择下山的路线 与光化学关系较为密切的是紫外光 因为阳光中紫外线的含量较少 光电转化高分子材料 聚合物太阳能电池 内容 研究背景太阳能电池相关原理设想 研究背景 能源问题是人类面临的最现实问题 它不仅仅表现在常规能源的不足 更重要的是化石能源的开发利用带来的诸多环境问题 目前全球热点问题是如何迎接在能源短缺和环境保护双重制约条件下实现经济和社会可持续发展的重大挑战 太阳能是可再生能源 是真正意义上的环保洁净能源 其开发利用必将得到长足的发展 并终将成为世界能源结构中的主导能源 太阳能的开发利用必将得到长足的发展 并终将成为世界能源结构中的主导能源 太阳能电池分类 传统太阳能电池 晶体硅太阳能电池非晶硅太阳能电池化合物半导体太阳能电池纳米晶化学太阳能电池有机 聚合物太阳能电池 光电转换材料是一种能将光通过一定的物理或化学方法变成电能的功能材料 是材料科学研究领域的一个热点 光电转换材料最重要的用途是制作太阳能电池 硅太阳能电池成本昂贵 工艺复杂 材料要求苛刻 有机光电池潜在的低成本 轻重量和分子水平的可设计性 光电转换材料 有机 聚合物太阳能电池 聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成 具有结构和制备过程简单 成本低 重量轻 可制备成柔性的器件等突出优点 近年来成为国内外研究热点 结构规整的聚 3 己基 噻吩 P3HT 和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料 基于P3HT PCBM的光伏器件能量转换效率稳定达到3 5 4 0 左右 使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标准体系 但P3HT PCBM体系也存在电子能级匹配性不好 P3HT的HOMO能级太高或者说PCBM的LUMO能级太低 的问题 这导致了器件的开路电压较低 只有0 6V左右 这限制了其能量转换效率的进一步提高 到目前为止 研究的光导电性高分子有下面几类 1 链中含有共轭键的聚合物 如聚乙炔 聚席夫碱 聚多烯 聚硅烷等 2 侧链或主链中含有稠合芳烃基的聚合物 3 侧链或主链具有杂环的聚合物 如聚乙烯咔唑及其衍生物 4 一些生物高分子及其类似物 其中 聚乙烯咔唑及衍生物是当今研究较多 应用开发较好的一类光电材料 光电响应原理 在聚合物太阳能电池中光电响应过程是在光敏层中产生的 共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的电子和空穴 而产生具有正负偶极的激子 exciton 只有当这些激子被解离成可自由移动的载流子 并被相应的电极收集以后才能产生光伏效应 否则 由于激子所具有的高度可逆性 它们可通过发光 弛豫等方式重新回到基态 不产生光伏效应的电能 在没有外加电场的情况下 如何使光敏层产生的激子分离成自由载流子便成为聚合物太阳能电池正常工作的前提条件 离子分离 电子给体 受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的有效途径 因此 光敏层至少要使用两种功能材料 或组分 即电子给体 donor或D 与电子受体 acceptor或A 组成 目前D相材料主要使用共轭聚合物 如PPV 聚噻吩和聚芴的衍生物 但它们的能带间隙较高 最近发展了低能带间隙的电子给体材料如噻吩 芴 吡嗪等的共聚物 而常用的A相材料主要是有机受体C60及其衍生物 纳米ZnO CdSe等无机受体材料以及含有氰基等吸电子基团的共轭聚合物受体材料 为了使激子过程得以顺利进行 要求所选用电子给体的最低空轨道 LUMO 能级比电子受体的LUMO能级稍高 这样在能量的驱动之下 电子由D相的LUMO转移到A相的LUMO上 一般情况下 D相的LUMO能级比A相的LUMO能级高0 3 0 4eV时就能使激子有效地分离成自由载流子 设想 高分子光电转换材料 倍受关注的高分子材料为P3HT PCBMP型半导体材料P3HT 是一种好的电子施主材料 与之前用的PPV类材料相比 P3HT具有更低的能隙以利于对于太阳光长波段的吸收 同时P3HT具有好的分子间序和更好的载流子迁移能力 尤其是空穴传输率可达10 2cm2v 1s 1 通过研究发现经过后期处理 如退火和电场处理 可以更好地改善器件性能 PCBM是一种电子受主材料 是C60的一种衍生物 与C60相比PCBM的溶解性更好 同时具备C60类的优点 如有好的电子亲和势 透明性好和良好的电子传输性能