纳米聚合物的微结构及其光物理特性.doc

PAGE PAGE 1 纳米聚合物的微结构及其光物理特性 有机聚合物太阳能电池，以其原材料价格低廉，自身的柔韧性，制备工艺较简单，相对环保等优点得到了人们广泛关注，但低转换效率制约着其工业化生产。有机聚合物太阳能电池在实验上已经得到了广泛的研究，但是关于聚合物纳米颗粒太阳能电池的研究较少，制约着其性能的进一步提高。基于此本文使用P3HT纳米颗粒溶液与P3HT聚合物溶液作对比，采用紫外可见光谱、光致发光、时间分辨荧光谱和透射电镜等测试手段，对样品进行表征和分析验证其光物理性质。研究表明，P3HT纳米颗粒代替其聚合物会使得活性层内部各项效率明显改善。紫外可见光谱显示，P3HT纳米颗粒溶液具有更强的链间相互左右，在一定范围内随着其浓度的提高效率提高不明显。P3HT纳米颗粒取代其聚合物吸收会发生明显的红移和展宽，提高了对太阳能的利用率。 1.1 引言 随着工业的发展，传统能源供应已经很难满足人们的需求，而且传统能源是非可再生能源，随着使用量的增加，能源将会枯竭，最终引发能源危机。传统能源所引起的环境污染更不容小觑，随着低碳生活的生活方式深入人心，急切的需要开发清洁能源，如风能、太阳能、地热能等等。尤其是对太阳能来说，由于不受地理区域的限制，并且太阳直接照射到地球上的能量十分可观，取之不竭，用之不尽，因此是目前公认的最理想的替代能源之一。对太阳能的利用不仅可以解决燃眉之急，又对未来的能源结构开辟新的道路，因此，研究如何高效的利用太阳能有着极其重要的意义，且一直是人们的研究热点。 太阳能利用最直接方式为太阳能电池。从1839年光伏效应的发现至1954年第一块太阳能电池的制备成功，再到太阳能电池材料的变换和结构的改进。以光伏效应作为基础的太阳能发电技术始终是人们的焦点。传统的无机太阳能电池花费高，能耗高，制作过程中需要较高的温度，较好的真空条件等。因此为了更低的成本消耗，有机太阳能电池是个不错的选择。并且有机太阳能电池采用有机聚合物作为有机活性层，材料来源广，制备也相对来说比较简单，通过旋涂技术即可以制备大面积的有机电池。 1.2 太阳能电池的现状 对于有机太阳能电池来说，提高效率一直是科研工作的目标，人们通过改变电池的结构相继研发出了单一活性层，双层平面结构（图1-1），本体异质结构（图1-2）的有机太阳能电池。效率也在逐年攀升2010年至2014年有机太阳能电池效率变化如表（1-1）C.W.Tang在1986第一次报道出了双层的有机太阳能电池，采用CuPc和PV，它的效率转换为1%。双层异质结的电子给体/受体界面可以为激子分离提供分子能级驱动, 从而显著提高自由电荷迁移率. 吸取这一优点, 通过将给体和受体共混形成双连续纳米互穿网络使异质结分界面几乎均匀地分布于活性层中。本体异质结(Bulk Heterojunction)结构进一步减少了激子扩散过程中的复合损失，目前基于本体异质结结构的有机太阳能电池效率已达到10%。 Anode Anode substrate Metal PEDOT:PSS acceptor donor 图1-1双层平面结构有机太阳能电池 Anode Anode substrate Metal active layer PEDOT:PSS 图1-2本体一直结构有机太阳能电池 年份 效率 JSC/(mA?cm－1) Voc/V 填充因子/% 2010 5.15±0.3 9.39 0.876 62.5 2011 6.4±0.3 16.7 0.585 65.5 2012 8.3±0.3 14.46 0.816 70.2 2013 10.0±0.3 16.75 0.899 66.1 2014 10.7±0.3 17.75 0.872 68.9 表1-1 2010年-2014年有机太阳能电池参数变化 1.3本体结构有机太阳能电池介绍 最近体异质结太阳能电池，作为一种可实现的、低消耗、可代替能源取得了重大的突破。它具有一系列的优点，其中包括材料的可调性强，拥有较宽的吸收谱，和简单的设备既能实现的卷对卷的生产等。在典型的体异质结太阳能电池中，进行光子吸收的活性层是由共轭聚合物组成的。例如聚三己基噻吩P3HT就可以作为一种给体材料和一种其他小分子如富勒烯PCBM作为一种受体材料混合作为活性层。当进行光致激发时束缚电子-空穴对（激子）便在活性层中产生了。激子移动至聚合物与受体交界面处分离而后移向不同的电极，于是光电流便产生了。为达到较高的光电转换效率给体材料应具有较宽的吸收谱或者较窄的带隙。很多带隙在1.7-1.9ev的窄带隙聚合物已经被合成出来，虽然通过这些聚合物在活性层中光子的吸收效率已经得到了很大的改善。但是用它们制作而成的仪器并不能保证具有较高的光电转换效率。在太阳