1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上導(dǎo)電高分子材料在太陽能電池方面的應(yīng)用高分子材料是由相對分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料。除一般的結(jié)構(gòu)材料外，一些高分子材料還具有光電磁等性能。下面，本文將對導(dǎo)電高分子材料在太陽能電池方面的應(yīng)用作一下介紹。太陽能是取之不盡用之不竭的清潔能源，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的太陽電池成為各國科學(xué)界研究的熱點和產(chǎn)業(yè)界開發(fā)的重點。聚合物薄膜太陽能電池較已經(jīng)發(fā)展的較為成熟并且商品化了的硅電池、薄膜無機電池以及染料敏化電池，有著成本低、重量輕、制作工藝簡單、可制備成柔性器件等突出優(yōu)點，另外聚合物材料種類繁多，可設(shè)計性強，有希望通過結(jié)構(gòu)和材料

2、的改性來提高太陽電池的性能。因此，這類太陽電池具有重要發(fā)展和應(yīng)用前景。聚合物材料在太陽能電池上的應(yīng)用包括作為給體材料，受體材料，空穴傳輸層材料已經(jīng)柔性電極，在此，我們只對其作為給體材料做簡單介紹。在太陽能電池中有幾個非常重要的表征參數(shù)：PCE（光電轉(zhuǎn)換效率）、Voc（開路電壓）、Jsc（短路電流）、FF（填充因子）。而這些參數(shù)與聚合物的吸收光譜、電荷載流子密度、電子能級、溶解性以及聚集和形貌有著密切關(guān)系。首先，我們希望共軛聚合物材料在可見-近紅外區(qū)應(yīng)該具有寬而強的吸收，從而有利于Jsc的提高；另外，我們需要給體材料有高的空穴遷移率，受體材料有高的電子遷移率，并且盡量保證空穴電子傳輸平衡；因為給

3、體和受體的LUMO能級差必須滿足一定條件才能實現(xiàn)激子分離，而且受體的LUMO和給體的HOMO能級差值決定電池的Voc，所以在保證較窄的帶隙和激子的有效電荷分離的前提下，適當(dāng)降低給體的HOMO能級或提高受體的LUMO能級可以提高聚合物太陽能電池的Voc，從而提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。因為這種電池的活性層是由給/受體的混合溶液涂膜制備的，因此給體和受體材料都需要有好的溶解性和成膜性。最后，給體和受體的適度聚集可以增強材料對材料對太陽光的吸收和提高載流子傳輸性能，但過度聚集會影響給/受體的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，從而影響激子解離，所以我們希望給體和受體光伏材料具有適度的聚集和優(yōu)化的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能。下面

4、將基于以上幾點對以下具體的聚合物材料做介紹。一、p-型共軛聚合物作為給體光伏材料1、聚噻吩衍生物聚噻吩在導(dǎo)電聚合物和共軛聚合物光電子材料方面都占有重要地位。在摻雜導(dǎo)電聚合物方面，聚噻吩與聚吡咯和聚苯胺一起是研究得最多的導(dǎo)電聚合物材料。尤其值得指出的是，得到商品化應(yīng)用的透明導(dǎo)電聚合物PEDOT：PSS（被廣泛應(yīng)用于聚合物發(fā)光二極管和聚合物太陽電池的陽極修飾層、透明防靜電涂層和導(dǎo)電聚合物的固體電容器中）就是一種聚噻吩衍生物。高導(dǎo)電的PEDOT：PSS也被用作柔性透明導(dǎo)電電極材料。2002年，Alivisatos等在研究共軛聚合物、CdSe半導(dǎo)體納米棒雜化太陽能電池是使用了聚（3-己基噻吩）（P3H

5、T）作為共軛聚合物給體材料，能量轉(zhuǎn)換效率達到1.7%1?，F(xiàn)在P3HT已成為最具代表性的共軛聚合物給體光伏材料，其優(yōu)點是高的空穴遷移率、與富勒烯衍生物受體PCBM能形成恰到好處的納米尺度聚集的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、適宜制作大面積光伏器件等。但是，P3HT也存在HOMO能級太高和吸收光譜不夠?qū)挼葐栴}，降低HOMO能級和拓寬可見區(qū)吸收是設(shè)計新型聚噻吩衍生物光伏材料需要考慮的主要問題。無取代基的聚噻吩不溶不熔，烷基取代是改善其溶解性的有效途徑。在聚噻吩中將具有“首尾-首尾”結(jié)構(gòu)單元所占的比例看作聚噻吩的區(qū)域規(guī)整度。具有區(qū)域規(guī)整的P3AT由于重復(fù)單元之間的空間位阻比較小，容易得到更好的平面性和更強的鏈間相互作用

6、，所以與非區(qū)域規(guī)整的聚噻吩相比，其有效共軛長度有明顯的提高、吸收光譜紅移和拓寬并且具有更高的遷移率。P3AT的光伏性能以P3HT最佳，烷基鏈增長和減小都會使其光伏性能變差。具體的說，器件的開路電壓隨烷基鏈的增長而稍有提高，但短路電流值隨烷基鏈的增長而顯著下降，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率也下降。P3AT分子量的大小對光伏性能也有影響，這主要是因為其空穴遷移率與分子量有關(guān)，分子量越大遷移率越高，同時，P3AT的分散度和器件退火溫度也對光伏性能有較大影響?；谏唐坊腜3HT和PCBM，其光伏效率可穩(wěn)定在3.5% 到4.0%，是目前使用最多的聚合物給體材料。為提高光吸收，考慮增強共軛程度，研究者把共軛支鏈引入

7、到聚噻吩的結(jié)構(gòu)設(shè)計中2,3，從而拓寬了可見吸收并提高了空穴遷移率。又有研究者設(shè)計合成了共軛鏈段橋連的交聯(lián)型聚噻吩衍生物4,5，即在兩條聚噻吩鏈間插入一個共軛橋鏈，可以有效的提高空穴遷移率，但是大的共軛橋連會使這個鏈發(fā)生扭曲，所以光伏性能也不理想。2、聚對亞苯基乙烯主鏈含乙烯雙鍵的共軛聚合物具有簡單的主鏈結(jié)構(gòu)。其中聚對亞苯基乙烯（PPV）衍生物（主要是MEH-PPV和MDMO-PPV）具有強的熒光和高的光電轉(zhuǎn)換外量子效率，但其吸收邊只有550nm，導(dǎo)致其太陽光利用率低，同時其鏈間相互作用較弱導(dǎo)致其空穴遷移率較低，所以其最高光伏效率只能達到3%左右6。但是由于MEH-PPV和MDMO-PPV屬于最

8、具代表性的光電活性共軛聚合物之列，因此它們在聚合物太陽能電池器件物理的研究中仍可發(fā)揮重要作用。另外它們也屬于效率較高的寬帶隙光伏材料，將來也有可能在多級疊層聚合物太陽電池中得到應(yīng)用。為提高空穴遷移率，研究者又合成了聚噻吩乙烯（PTV）衍生物，這類聚合物具有較窄的帶隙，寬的可見區(qū)吸收，高的空穴遷移率等突出優(yōu)點，但是烷基取代PTV沒有熒光，導(dǎo)致其光伏性能很差7。通過吸電子基團酯基取代使PTV衍生物呈現(xiàn)了弱的熒光，并且光伏性能顯著提高，超過了2%8。寬吸收和高空穴遷移率使PTV衍生物成為潛在的、具有簡單主鏈結(jié)構(gòu)的高效聚合物光伏材料，但是要想把潛力變?yōu)楝F(xiàn)實，還需做出艱苦的努力。3、窄帶隙D-A共聚物給

9、體光伏材料高效聚合物給體光伏材料需要可見-近紅外區(qū)寬的吸收（較窄的帶隙）以及適當(dāng)較低的HOMO能級，這些都可以通過合適的給電子（D）和受電子（A）結(jié)構(gòu)單元的D-A共聚物來實現(xiàn)，因此這類共聚物近年來成為聚合物太陽電池新型共軛聚合物給體光伏材料研究的主要對象。聚合物材料的帶隙受其主鏈結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈結(jié)構(gòu)及鏈間相互作用等因素影響。降低聚合物材料帶隙的方法主要有引入給電子單元-吸電子單元交替結(jié)構(gòu)和引入醌式結(jié)構(gòu)。2003年，Andersson和Inganas等首次將芴與苯并噻二唑的D-A共聚物PFDTBT用于聚合物太陽電池的給體光伏材料，獲得了2.2%的光電能量轉(zhuǎn)換效率9，而最近合成的多個D-A共聚物給體材料

10、的光伏效率超過了7%10-13。Chen14合成了基于四聯(lián)噻吩與苯并噻二唑的D-A共聚物POD2T-DTBT，該聚合物具有較低的HOMO能級和較窄的帶隙，膜的吸收邊達到780nm，以及高的空穴遷移率，用FET即場效應(yīng)晶體管方法測量的空穴遷移率高大0.2cm2/V.s.基于該聚合物和PC70BM的光伏器件的Voc=0.722V， Jsc=12.3mA/cm2, FF=70.5%,光電轉(zhuǎn)換效率達到了6.26%。Wei13研究了溶劑添加劑對基于二聯(lián)噻吩與噻吩并吡咯二酮（TPD）的共聚物PBTTPD光伏性能的影響，以PC70BM為受體，用1,6二碘己烷作為添加劑，光電轉(zhuǎn)換效率達到了7.3%?；谲痰腄

11、-A共聚物PAFDTBT15在使用1,8二碘辛烷作為添加劑，以PC70BM作為受體的效率也從4.8%提高到了6.2%。將芴中碳原子用硅原子代替后得到了硅芴單元，硅芴單元比芴單元的聚合物具有更好的載流子傳輸能力。曹鏞等16合成了硅芴和苯并噻二唑的交替共聚物PSiF-DBT，其膜的帶隙為1.82eV，吸收邊 700nm。以PCBM作為受體，器件的Voc=0.90V，Jsc=9.5 mA/cm2，F(xiàn)F=50.7%，PCE達到5.4%。其器件高的開路電壓得益于該聚合物較低的HOMO能級。Leclerc等17,18最早把基于咔唑和苯并噻二唑的D-A交替共聚物PCDTBT引入到光伏材料中。該聚合物有很好的

12、熱穩(wěn)定性，其薄膜在300700nm有兩個吸收峰，吸收邊在660nm，對應(yīng)的帶隙為1.88eV?；赑CDTBT/PCBM的光伏器件的開路電壓短路電流以及能量轉(zhuǎn)換效率分別為0.89V，6.92 mA/cm2和3.6%。后來，Heeger等通過使用TiOx陰極修飾層（起到光學(xué)隔離層和空穴阻擋層的作用），并使用PC70BM，使基于PCDTBT的聚合物太陽能電池的效率提高到6.1%。另外，基于二噻吩并噻咯、苯并二噻吩等的給體單元的D-A共聚物也都表現(xiàn)出了有潛力的光伏前景?？傊?，目前研究的作為聚合物太陽能電池給體材料的共軛聚合物種類繁多，很多都表現(xiàn)出了優(yōu)異的或者有潛力的光伏性能，而且可以通過改變主鏈結(jié)構(gòu)

13、及側(cè)鏈取代基的方法進一步優(yōu)化其性能，為聚合物太陽能電池將來取代硅電池以及無極薄膜電池等提供了無限可能。參考文獻：1 Huynh W U, Dittmer J J, Alivisatos A P. Science, 2002, 295:2425-2427.2 Zou Y P, Wu W P, Sang G Y, Yang Y, Liu Y Q, Li Y F. Macromolecules, 2007, 40: 7231-7237.3 Zhang Z-G, Zhang S Y, Min J, Cui C H, Zhang J, li Y F. Macromolecules, 2012, 45:

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