三唑基喹喔啉类窄带隙聚合物设计与合成(2)

菜单

参考文献 31

1 绪论

1.1 太阳能电池

世界的发展离不开能源，进入21世纪以来，目前广泛应用的石油、煤、天然气等化石燃料正逐渐耗尽，因此寻找替代能源已经迫在眉睫。其中太阳能因其分布广泛、取之不尽、清洁环保的特性越来越为人们所重视。

通过太阳电池将太阳能转换为电能是利用太阳能的有效途径之一，Becquerel于1839年发现光生伏特效应[1]。1954年Bell实验室[2]的Chapin Daryl, Fuller等人发明了基于单晶硅的p-n结太阳电池，其效率高达6%，开创了无机太阳能电池应用领域的先河，目前商业使用的太阳能电池以单晶硅、晶硅、无定型硅、单晶CaAs、CdTe等为代表的第一、第二代太阳能电池为主，最高光电转化效率已经接近40%[3,4]。但是硅系列太阳能电池对材料纯度要求很高，工艺复杂、污染大、成本高、不能柔性加工，难以大规模生产，限制了其大面积推广应用。其它种类的基于半导体材料制成的太阳能电池因材料来源及工艺等问题也同样难以推广[5,6,7]。论文网

聚合物太阳电池 (polymer solar cells, PSCs) 近几年已成为太阳能电池研究热点，这类电池具有原料丰富、质量轻、成本低的优点。此外，PSCs的柔韧性好，使得它可以用在无机太阳电池无法正常使用的地方；利用其能够溶于有机溶剂的特点可以通过溶液印刷的方式大面积加工生产；对聚合物结构进行设计，从而有效地调控太阳能电池的溶解性、热稳定性、带隙、柔韧性等综合性能[8,9]。

1.2 聚合物电池工作原理

PSCs的工作原理与无机太阳能电池基本一致，它们的理论基础都是光生伏特效应[10]，简单来讲就是PSCs的活性层材料吸收可见光，然后将光转化为电能。PSCs的活性层通常是由电子给体材料与电子受体材料共同组成的。

PSCs的光电转换过程主要有以下几步：

（1）激子的产生。

聚合物太阳能电池的光学活性层是由电子给体材料和电子受体材料经共混涂膜制成的。在太阳光的照射下，电子给体中的电子吸收光子后由最高占有轨道（HUMO）能级跃迁至最低空轨道（LUMO）能级，形成受束缚的电子空穴对，它也被称之为激子[11]。文献综述

（2）激子的传递

激子产生后，开始向电子给体材料和电子受体材料的界面处移动，在电子供体和受体的界面处完成电子和空穴的分离。

（3）激子的分离

当激子转移到电子供体和电子受体的界面后，由于给体材料和受体材料的LUMO能级之差，激子分离成自由的电子和空穴[12]。

（4）电荷的转移

电子和空穴发生分离后，分别形成独立且自由的载流子。在电场力的作用下，各自完成独立的传导过程。

(5) 电荷收集：电子到达金属阴极，空穴到达阳极时，电荷被收集，产生光电流。

1.3 聚合物电池结构

太阳能电池器件的构造如图1.1所示，聚合物太阳能电池器件主要组成部分即为光敏活性层，对光敏活性层的材料从结构和性能两方面加以改进，已经成为提高聚合物太阳能电池光电转换效率的研究热点。如图1.1所示，典型的本体异质结型太阳能电池采用三明治结构：中间为电子给体和电子受体共混涂膜而成的活性层；两侧分别用ITO透光电极和Al等金属电极为器件的阴极和阳极。由于ITO透光性好，且电导率与金属相近，故常被用来做聚合物太阳能电池的阴极。通常在ITO上面用旋转涂膜的方式增加几十纳米厚的PEDOT:PSS（如图1.2所示）作为修饰层聚合物基底，用来改善其界面性质和增加空穴传输[13]。此外，阳极在蒸镀Al之前通常预先蒸镀几个纳米厚的LiF或其他函数较低的活泼金属等作为阳极修饰层，用来改善金属的功函[14]。目前很多课题组都在进行器件结构的优化工作。提出了叠层、倒置、串联等新型器件结构，以及尝试在器件中增加如氧化锌等活性修饰层来进一步提高太阳能转化效率[15,16]。