窄带隙聚合物太阳能电池用苯并二噻吩单元的设计制备

1、-范文最新推荐- 窄带隙聚合物太阳能电池用苯并二噻吩单元的设计制备 摘要通过拓宽聚合物的吸收光谱和提高载流子迁移率可以有效提高聚合物太阳能电池的光电转换效率。合成新颖的窄带隙聚合物成为提高效率的有效途径之一。目前，窄带隙聚合物是新型太阳能电池的研究热点。苯并二噻吩类窄带隙聚合物极具有高效率有机太阳能电池的潜力。本课题论文对苯并二噻吩的结构设计与合成进行了研究，尝试设计合成了二维结构的苯并二噻吩单元。以3-噻吩甲酸和噻吩为原料通过逐步反应，每步经过提纯、核磁表征，确定各阶段产物的分子结构，最终成功合成了二维结构的苯并二噻吩类給体单元。这种给体单元可应用于各种D-A结构窄带隙聚合物的合成，通过其制

2、成太阳能器件，进一步探究其光电转换效率的优劣及其应用前景。10165关键词苯并二噻吩窄带隙聚合物合成共轭聚合物聚合物太阳能电池毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Structural Design and Synthesis of Benzo1,2-b:4,5-b’dithiophenefor Narrow Bandgap Conjugated Polymer Solar CellsAbstractThe design and synthesis of new conjugated polymers with broader absorption band and highe

3、r mobility is the effective way to further improve the power conversion efficiency (PCE) of polymer solar cells (PSCs). The synthesis of novel narrow bandgap can achieve these goals. Currently, the narrow bandgap polymers are a new research focus of polymer solar cells. Some new conjugated polymers

4、based on benzo1,2-b:4,5-b’dithiophene have been synthesized successfully and the polymer solar cells have exhibited high efficiencies of 4-7.4%. In this thesis, a structure of benzo1,2-b:4,5-b’dithiophene as the donor has been designed and synthesized. Thiophene-3-carboxylic acid and thi

5、ophene are the raw material. To detect the molecular structure, product of each reaction was purified and determined by 1H NMR. Eventually, the new donor has been synthesized successfully. Various polymers for solar device can be synthesized by alternating this electron donating unit and different a

6、ccepting units. Compared with other materials in absorption spectra, bandgap, energy levels, mobility, and photovoltaic performance, the application prospects of these polymers can be surmised. 2.6.2实验分析与讨论17结论19致谢20参 考 文 献211引言目前，三大化石燃料作为主要能源消耗，由其引发的全球能源危机和环境污染问题日益严重。当前的能源生产、消耗使用方式是不可持续的，能源问题业已成为遏制

7、各国经济发展的首要难题之一。新能源的技术开发和应用已日益受到重视。太阳能作为最理想的可再生能源，是一种取之不尽、用之不竭的无污染绿色能源。如何将太阳能转换为电能或热能造福于人类一直是科学家的努力探索目标。1954年贝尔实验室Chapin等人1制作了光电转化效率达6的太阳能电池，标志着商业化太阳能电池研究的开始。20世纪70年代，半导体硅太阳能的光电转化效率已提高到1520。目前商业化的太阳能以单晶硅和多晶硅、无定型硅、单晶CaAs、CdTe等为代表。硅系列太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂、污染重、成本高、不易柔性加工等缺点，难以大规模生产，限制了其大面积推广使用。其它类型半导体材料的太

8、阳能电池因存在材料来源及工艺等问题也同样难以得到推广。而有机半导体材料由于原料易得、成本低廉、重量轻、制备工艺简单、环境稳定性高、能耗少，尤其是聚合物的柔性使其可以制成不同形态的柔性器件、易于大规模生产等突出优势，显示了其巨大的开发潜力，成为近些年国内外研究的热点，倍受学术界关注2,3,4。经过十几年科学家与企业界的探索研究，聚合物太阳能电池的光电转换效率得到了迅速的提高。据文献报道，聚合物太阳能电池的最高光电转换效率已经超过7%，但是相对于无机半导体太阳能电池的效率而言还相对较低，尚不能普及使用。为了进一步提高其光电转换效率，各科学界人士从材料合成，器件构造，器件制备技术进行了大量深入的研究

9、5,6,7。光敏活性层作为聚合物太阳能电池器件主要组成部分，对活性层的材料结构和性能改进，成为提高聚合物太阳能电池的光电转换效率的研究热点。 目前光敏活性层中的共轭聚合物主要可分为：1）聚苯撑乙烯撑类(PPVs)：自从1990年剑桥大学卡文迪许实验室成功合成出PPV以来12，在最近十几年的研究发现，该类聚合物性能稳定，易于合成，在光伏太阳能电池方面有着优异的性能。2）聚乙烯基咔唑(PVK)：聚乙烯基咔唑是一个典型的光导聚合物，同时也是一个可发蓝光的电致发光材料。早在1999年，C. Sentein等人13就用PVK作电子给体，用染料分子敏化后，发现其同样有光伏效应，但光电转换效率低。3）聚苯胺

10、及聚酰亚胺类：聚苯胺早期主要是被用做导电聚合物来加以研究及应用的。R. K. Onmori等人14于2001年发现当用HCl(0.5M)掺杂聚邻甲氧基苯胺后，夹在ITO与A1之间，也表现出了光伏效应。由于聚酰亚胺的共轭性较差，其电荷传输的性能受限制，效率较低。4）聚芴系列共聚物：聚芴及其共聚物是一类优异的电致发光材料，当其主链含有芳胺共聚单元(PFB)后，其表现出较强的空穴传导能力15，在2.5×105 V cm-1的场强下达10-4 cm2 V-1s-1。当其与含有苯并噻二唑共聚单元的聚芴(F8BT)构成本体异质结后，表现出了光伏效应。5）聚噻吩类(PThs)：这是一类研究比较充

11、分的聚合物光伏给体材料，主要是含有长链取代烷基的聚噻吩。PPVs及PThs的光学带隙Eg在2.0-2.2eV之间，不能很好地与太阳光谱匹配。为了使聚合物在可见光区域内具有宽的吸收，提高载流子迁移率，设计合成与太阳光谱能较好匹配的窄带隙聚合物，以期能达到提高光富集效率，提高光电转换效率的目的，窄带隙聚合物这一方向越来越受到重视。1.2苯并二噻吩类窄带隙聚合物的研究现状1.3聚合物太阳能电池光电转换效率的主要影响因素聚合物太阳能电池的光电转换过程主要包括如下6个步骤：吸收入射光-产生激子-激子扩散-电荷分离-电荷传输-电荷收集28,29,30。在以上5个步骤中均可能存在能量的损耗，如何降低各部分的

12、能量衰减是提高聚合物太阳能电池光电转换效率的主要研究方向。从光敏活性层材料的角度出发，对各个步骤影响因素分析。 影响电荷收集效率的主要因素是电极处的势垒，可以通过调节电极材料、改善器件的制备工艺来实现。1.4窄带隙聚合物的发展方向及本课题研究目的吸收光谱与载流子迁移率是影响聚合物太阳能电池光电转换效率的主要因素。在设计新的聚合物结构时，必须考虑这两个因素。要进一步提高聚合物的光电转换效率，新的窄带隙聚合物应具备以下几个条件:(1)具有较窄的光学带隙，共轭聚合物光伏材料的吸收光谱应尽量与太阳能光谱相匹配，以确保在可见光区具有宽光谱和强吸收；（2）相对低的HOMO能级实现高的开路电压；（3）平衡的

13、电子与空穴传输，以保证高的载流子迁移率。除此之外，聚合物的高纯度，良好的溶解性，热稳定性，易成膜加工也同样重要。苯并二噻吩（BDT）单元具有良好的平面性，良好的热稳定性和富电子效应，本课题试图设计合成二维的苯并二噻吩结构，作为給体单元，以期望和其它受体单元交替共聚，能得到窄的光学能带隙、匹配的电子能级、较高开路电压和平衡空穴-电子传输的窄带隙共轭聚合物。2苯并二噻吩的结构设计与合成2.1前言低能隙的聚合物材料能够拓宽吸收光谱带，以提高光电流，这类聚合物是一种很有前景的有机太阳能光伏材料。在本体异质结太阳能电池中，理想的聚合物給体材料应有足够大的HOMO能级与LOMO能级差，这样才能促使电荷的有效分离，以得到更高的开路电压。在设计窄带隙聚合物光伏材料时，需考虑宽的吸收带，平衡的电子与空穴传输31,32。