聚合物能帶的調(diào)控及其在光伏器件中的應(yīng)用.pdf

1、從聚合物能帶隙工程的原理出發(fā)，設(shè)計和合成了一系列可溶性的低能帶隙聚合物、側(cè)鏈含有電子與空穴傳輸單元的低能帶隙聚合物以及側(cè)鏈含有卟啉單元的低能帶隙聚合物，并探討了它們對聚合物太陽能電池的光譜敏化作用。同時，通過化學接枝的方法，設(shè)計和合成了一系列側(cè)鏈含有卟啉、多壁納米碳管(MWNT)單元的PPV衍生物，制備了基于卟啉－多壁納米碳管復(fù)合體系的新型電子受體，并嘗試用納米碳管來修飾ITO電極。 以3，4-二硝基噻吩作為電子受體，噻吩、苯單

2、元作為電子給體，制得了主鏈中同時含有醌式結(jié)構(gòu)和電子給體－受體交替單元的低能帶隙聚合物PDTNTBQ，其光學能帶隙為1.46eV、電化學能帶隙為1.77eV。 通過將苯阻隔單元引入到聚合物的主鏈，制備了一系列具有良好溶解性的聚芳雜環(huán)次甲基聚合物。吸收光譜、電化學分析表明，當苯環(huán)側(cè)鏈取代單元從氫、甲基、丁氧基增加至辛氧基和癸氧基時，聚合物在400-800nm范圍內(nèi)的吸收逐漸增強，對應(yīng)聚合物的能帶隙呈降低的趨勢；當苯環(huán)取代基大于癸氧基

3、，由于位阻效應(yīng)等因素，聚合物的能帶隙又出現(xiàn)升高的趨勢。其中，對于含辛氧基、癸氧基取代苯環(huán)的聚合物PDTDOBQ、PDTTenBQ，它們分別具有1.40eV、1.45eV的光學能帶隙。此外，通過兩個苯環(huán)的引入，也可使對應(yīng)的聚芳雜環(huán)次甲基聚合物獲得了良好的溶解性和較低的能帶隙。 通過調(diào)節(jié)單體的投料比，合成了一系列側(cè)鏈具有噁二唑電子傳輸單元、三苯胺空穴傳輸單元的低能帶隙聚合物PBTBQ-Oid-co-PBTBQ-An。它們在500-8

4、00nm范圍內(nèi)具有強烈的光學吸收，其光學能帶隙在1.34-1.44eV之間，電化學能帶隙在1.64-1.77eV之間。電化學分析表明，隨著聚合物側(cè)鏈中噁二唑單元比例的增加，對應(yīng)聚合物的初始氧化電位(E0ox)、初始還原電位(E0red)大體上呈增加的趨勢，而其HOMO能級、LUMO能級則呈下降的趨勢。基于這些低能帶隙聚合物的光伏器件，隨著聚合物側(cè)鏈中噁二唑單元比例的增加，其對應(yīng)的短路電流、能量轉(zhuǎn)換效率總體上也逐漸增加。其中，PBTBQ-

5、Oid-co-PBTBQ-An(122)/MEH-PPV/PCBM(1/1/4，wt％)器件具有最大能量轉(zhuǎn)換效率0.0017％，其開路電壓為0.25V，短路電流為0.0047mA/cm-2，填充因子為0.24。 通過化學接枝的方法，合成了一系列側(cè)鏈含有卟啉單元的低能帶隙聚合物PBTBQ-OR-Porp。它們易溶于一般有機溶劑，在500-800nm之間具有強烈的光吸收。對于聚合物PBTBQ-OR-Porp/PCBM器件來說，隨著聚

6、合物中卟啉含量的提高，對應(yīng)聚合物的開路電壓、短路電流、能量轉(zhuǎn)換效率等逐漸增加。而對于PBTBQ-OR-Porp/MEH-PPV/PCBM器件來說，由于MEH-PPV和卟啉單元之間存在著強烈的能量轉(zhuǎn)移，其對應(yīng)的光伏性能相對有所降低。不過，PBTBQ-OR-Prop(11)/MEH-PPV/PCBM(1/1/8，wt％)器件仍獲得了最大能量轉(zhuǎn)換效率0.013％，明顯高于未接枝卟啉的同類器件。 通過將卟啉接枝到共軛聚合物的側(cè)鏈，合成了

7、兩個系列的卟啉接枝PPV衍生物。它們易溶于一般的有機溶劑，在340℃之前具有良好的熱穩(wěn)定性。這些聚合物在400-700nm之間具有強烈的光吸收，而薄膜的最大熒光發(fā)射波長、電致發(fā)光波長分別為650nm和715nm。由于從PPV主鏈向側(cè)鏈卟啉單元存在著強烈的能量轉(zhuǎn)移過程，它們和PCBM所構(gòu)成的本體異質(zhì)結(jié)聚合物光伏器件均表現(xiàn)了卟啉低濃度敏化的光伏效應(yīng)。隨著側(cè)鏈卟啉比例的增加，對應(yīng)器件的光伏性能總體上呈降低的趨勢。其中，Porp-RO-PPV(

8、31)/PCBM(1/4，wt％)器件和Porp-R-PPV(31)/PCBM(1/4，wt％)器件的光伏性能最好，其對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率分別為0.325％和0.361％。 從SEM圖上可以看出，接枝多壁納米碳管的PPV衍生物、多壁納米碳管-卟啉復(fù)合物，對應(yīng)多壁納米碳管的直徑有了明顯增加。熒光光譜分析則表明，從PPV共軛主鏈或卟啉單元到多壁納米碳管存在著強烈的光誘導(dǎo)電子或能量轉(zhuǎn)移過程。另外，通過PSSNa：PVA：MWNT復(fù)合物來