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基于BDT共轭聚合物光伏性能研究(1)


本科生毕业论文(设计)开题报告
学生姓名 指导教师姓名 论文题目 解易 温善鹏 学号 职称 19110733 专业 讲师 电子科学与技术

基于 BDT 共轭聚合物光伏性能研究

题目的意义 聚合物光电功能材料与器件因其广阔的应用前景吸引了世界各国学 术界的广泛关注。近年来,随着传统化石能源短缺问题日益严重,聚合物 太阳能电池作为聚合物光电子器件中的一个重要分支,以其成本低、质量 轻、柔性和可溶液加工等优势而成为太阳能电池领域重要的研究方向。此 外, 与传统无机半导体材料相比共轭聚合物光电子材料另一个突出的特点 是其光电性质容易通过简单的化学修饰(即引入特定的官能团)进行改善和 调节,从而实现对器件性能的优化。然而,目前大多数共轭聚合物太阳能 电池面临的问题是其能量转换效率不够高, 设计和合成新型高效的共轭聚 合物太阳能电池材料是解决问题的关键。 国内外进展状况 1986年, 来自美国柯达公司的C.W.Tang用一层给体材料和一层受体材料做 成的双层异质结有机太阳电池,效率达到了1%,这对有机太阳电池是一 个重大突破,自此,基于异质结概念的有机太阳电池得到了广泛的研究。 1992年,Sariciftci等人首先做出聚合物/C60双层异质结体系,并发现了该 体系中光诱导电荷快速能量转移现象。 1995年,Yu等将一定比例的MEH-PPV和C60制成了MEH-PPV/C60共混膜的 三明治结构的聚合物太阳能电池, 由于电子给体与电子受体相各自形成网 络状连续相结构, 光诱导所产生的电子与空穴可分别在各自的相中输运并

在相应的电极上被收集, 光生载流子在达到相应的电极前被重新复合的几 率大为降低,光量子效率是纯MEH-PPV的103-104倍,但由于C60较差的可 溶性及易结晶,MEH-PPV/C60共混薄膜的性能不易优化。以PC61BM代替 共混膜中的C60作为电子受体材料,MEH-PPV/C60体系的能量转换效率达 到了2.9%。 这种给体受体共混的体异质结结构是聚合物太阳电池领域的重 大突破。在这些基础研究之上,此后材料化学家们开发出多种高效率给体 材料和受体材料,使效率连创新高。 2003年,Padinger等基于P3HT/PCBM制备了电池,通过对制备完的器件进 行退火和施加外电场的后处理,电池性能大幅度提高,优化的器件性能在 80 mW/cm2白光照射下,能量转换效率达3.5%,外量子效率光谱峰值处达 70%。 2006年, 众多材料科学家将目光投向了窄带隙共扼聚合物材料的设计与开 发 。 以 聚 [2,6-(4,4- 双 (2- 乙 基 己 基 )-4 氢 - 环 戊 [2, 1-b;3,4-b'] 二 噻 吩 )- 交 -4,7(2,1,3-苯并噻二唑)] (PCPDTBT)为例,它的吸收边可以达到900nm,基 本覆盖了整个可见光区域, 基于该材料制备出的有机太阳能电池光电转化 效率为3.2%。 对其活性层形貌进一步优化后, 可以将该材料的光电转化效 率提高到5.1 %。 2007年,Kim等基于吸收光谱互补的P3HT和PCPDTBT,制备了叠层双结 有机聚合物太阳能电池,并且除了电极以外其余各层均通过从溶液中制 备,电池表现出极其优异的性能,在100 mW/cm2 AM 1.5模拟太阳光照射 下,能量转换效率达6.5%。 2009 年,窄带隙聚合物的光伏效率得到了大幅提高,加州大学的 Heeger 组将PCDTBT与C70共混,进一步优化器件结构,在100 mW/cm2光照下,

短路电流为10.6 mA/cm2,能量转换效率达到了6.1%,内量子转换效率接 近100%。 2009 年 , Yang 等 报 道 了 基 于 PBDTTT-CF/PC71BM 的 光 伏 器 件 , 在 100 mW/cm2模拟太阳光照射下, JSC=15.2 mA/cm2, VOC=0.76 V, FF=0.669, 能量 转换效率达到了7.73%。 2009年, Yu等报道了基于PTB4/PC61BM的太阳能电池光伏器件的能量转换 效率达到了6.1%。 2010年, Yu等又报道了基于PTB7/PC71BM的太阳能电池光伏器件的能量转 换效率达到7.4%,该结果显示了PTB7材料在聚合物太阳能电池的应用中 有着很大的发展潜力。 2012 年, Wu 等采用倒置结构,通过在 ITO 侧引入 PFN 形成偶极层,将 PTB7/PC71BM体系的能量转换效率提升到9.2%。 基本研究内容 (1)基于 BDT 的共轭聚合物的合成。 (2)对合成出的目标产物进行系统的表征:通过对合成的分子进行 NMR, GPC 的表征测试以确定其分子结构;利用 TGA 分析其热稳定性;通过测定 吸收光谱来研究分子的吸收性质(吸收峰,吸收带边及吸光系数等);利 用循环伏安法测定其 HOMO,LUMO 能级结构; (3)将合成的 BDT 基共轭聚合物与 PC71BM 共混制备有源层,并以此制作 体异质结结构的有机太阳能电池,采用正型的器件结构: ITO/PEDOT-PSS/polymer:PCBM /LiF/Al 制成器件, 进行 I-V 及 IPCE 测试, 并对测试结果进行分析处理。

实验进度及规划 设计合成基于 BDT 的共轭聚合物,以其作为活性层给体材料,PC71BM 作 为受体材料制备光伏器件,并测试器件的光伏性能。掌握太阳能电池的工 作原理,最终制备出高性能的聚合物太阳能电池。 2015.3—2015.4 基于 BDT 的共轭聚合物合成。 2015.4—2015.5 以合成的 BDT 共轭聚合物为给体材料,PC71BM 为受体材 料制作有机光伏器件,并对器件的电流-电压(J-V)特性及 IPCE 光电转 化效率进行测试。 2015.5—2015.6 对测试结果进行数据分析和处理。并进行毕业论文的撰 写。

预期结果 设计、合成窄带隙、宽吸收、低HOMO能级的BDT基共轭聚合物分子,系 统的研究基于BDT基聚合物的光伏性能,使其能量转换效率突破8%;发 表有机太阳能电池领域学术论文1篇。

参考文献(10 篇以上)
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