【应用于有机太阳能电池的聚合物材料概述1900字】

应用于有机太阳能电池的聚合物材料概述一般情况下双键或多环芳烃包含在用于制作OSCs的聚合物结构里，因而传导空穴效率的能否提高依赖于π共轭体系是否具有较高的载流子迁移率。影响光伏器件性能的重要因素是聚合物材料的能级是否能够与受体材料(比如C60，PC61BM和PC71BM等)的能级更好地匹配。如图2聚合物与受体材料的能级示意图与分子结构所示。吸收太阳光的光谱范围的决定因素是聚合物的能级宽度ΔE1(即Eg)。由于较多红外光成分[67]被包含于太阳光能量中，这个原因促使开发窄带聚合物给体材料成为目前有机太阳能电池研究的热门项目之一。如图2所示，聚合物材料的最高被占用分子轨道能级和受体材料的分子最低空余轨道能级(例如PC61BM)的差为ΔE2，开路电压的大小是由该参数的大小决定的。聚合物材料的最高被占用分子轨道能级越低，光伏器件的开路电压受ΔE2的数值影响，其会随ΔE2的数值增加而增加。聚合物材料与受体材料的分子最低空余轨道能级之差(ΔE3)是能影响激子分离的驱动力大小的因素，当ΔE3的数值不低于0.3eV时就能让激子有效地分离为电子和空穴。所以，太阳能电池的光伏性能是由聚合物材料的最高被占用分子轨道与分子最低空余轨道的能级大小所直接决定的。人们合成了一批具有优良光伏性能的聚合物材料达到了调控给体材料能级的目的，这类材料大概可以分为三类:D2A型共聚物材料[5]，聚噻吩衍生物材料和聚苯撑乙烯(PPV)及其衍生物材料。2.21PPV及其衍生物材料早期应用于太阳能电池的聚合物材料之一是PPV[14]。如图3是PPV的分子结构。由于，在有机溶剂中，PPV的溶解度低，这是一个限制PPV应用于太阳能电池的重要因素。为了提高PPV的溶解性，科学家将烷氧基支链接入PPV的苯环上，得到了新的材料MEH2PPV(如图3)，该材料将原有材料在有机溶剂中的溶解度能较好地提高，更加方便了光伏器件的制做[68]。研究发现，基于MEH2PPV:PC61BM(质量比为1:4)的光伏器件，其能量转换效率达到1.3%[15]。Sha2heenSeanE等人对PPV进行进一步修饰，得到了聚合物材料MDMO2PPV(见图3)，该材料改变了混合膜层的表面形貌和提高了成膜质量，器件效率提高到了2.5%[16]。然而，一般情况下PPV禁带宽度较大(～2.2eV)，直接导致PPV和其衍生物都存在巨大的缺陷--吸收光能效率低，因此在一定程度上降低了有机光伏器件的能量转换效率[7]。2.2.2聚噻吩衍生物材料在2005年，Heeger等人研究发现，将聚噻吩材料P3HT(见图4)的光伏部件进行退火处理，能使部件的效率达到5%[17]。这个退火过程非常有趣不仅能让有机膜层的相分离程度改变，还能提高有机材料中载流子传输和激子分离的效率。IoanaR.Gearba[18]的研究小组发现运用热致互连P3HT材料能够制造性能更加优良的光伏部件,这种新型材料的空穴迁移率比旧的P3HT材料高5倍，部件效率也提高到旧部件的3倍。Yao2TeChang[19]研究小组通过格林尼亚置换(Gri2gnardmetathesis)聚合的新方法，得到了聚噻吩衍生物系列--带有共轭菲基咪唑支链[69]。这种支链引入非常有效不仅能够提高材料的热稳定性和共轭长度，而且可以调节聚合物能级结构，同时也相应地也降低了带宽。实验证明，拥有聚噻吩衍生物P82(见图4)的光伏部件，该部件的短路电流密度能达到14.2mA/cm2，能量转换效率能达到2.8%之多。2.2.3D-A型共聚物材料近年来研究的热门材料之一是D2A型共聚物，一个亲电子基团(受体基团)和一个疏电子基团(给体基团)组成聚合物单元。研究发现能够通过改变亲电子基团所占聚合物结构中的百分比，从而实现最高被占用分子轨道和分子最低空余轨道能级位置的调制，这样就可以研发出能级匹配并且能带宽度比较小的聚合物材料。在表1和表2中列出18种非常具有代表性的关于D2A型共聚物材料的全部实验参数，图5是D2A型共聚物材料的分子结构该聚合物的最高被占用分子轨道和最低空余轨道的能级位置通过给体和受体的能级位置堆叠而形成。研究者对D，A两种单体进行不同的修改，通过改变该单体的能级位置，从而调节共聚物的能级位置和能带宽度。从表1中可以发现，该类型材料的能带宽度Eg比P3HT(能带宽度是2.1eV)和PPV(能带宽度是2.1eV)都偏低，介于在1.7-1.9eV的范围之间，然而TDPP2BBT的Eg更低达1.46eV[20]，这些都使在TDPP2BBT的光伏器件中实验，得到的实验数据证明吸收带宽能拓展到300—800nm，覆盖了所有可见光和近红外区域。制做高效光伏器件前提条件是有机材料的宽吸收带。p型材料和n型材料的LUMO能级差提供激子分离驱动力，理论上来讲激子分离驱动力能级差值为0.3eV。从表2可以发现，对于TDPP2BBT与PDPP2BBT这两种材料[21]，该激子分离驱动力非常不足(前者是0.26eV，后者是0.31eV)是导致较低量子效率(入射单色光子-电子转化效率IPCE只占30—40%)的直接原因。然而PCDTBT[22]和PTB7[23]的两种材料的激子分离驱动力能级差分别为0.4eV和0.69eV，能提高空穴和电子的分离效率，进而改变部件中的空穴和电子浓度。想要提高了材料的迁移率，可以将PSiF2DBT材料中的Si原子取代了C原子，这种材料的器件效率达到了5.4%[24]，而材料