摘 要

充分利用取之不尽、用之不竭的清洁能源——太阳能，是解决目前人类所面临的能源短缺和环境污染等问题的最有效途径。目前，商业化的光伏技术以无机太阳能电池为主，其效率在15-25%之间。但是，生产工艺复杂，成本高，不易实现大面积器件以及制造过程中带来的严重环境污染等问题，限制了无机太阳能电池的大规模应用。相较于无机体系，有机太阳能电池具有一些独特的优势：1)有机材料质量轻，柔性好；2)易于针对化学结构进行分子优化、设计、裁剪，从而合成出性能更优的有机材料；3)电池器件制备工艺简单，可采取印刷、喷墨、打印等溶液加工法，成本低；4)容易制备大面积柔性器件。因此，有机太阳能电池近年来受到学术界和产业界的广泛关注。本论文基于聚合物太阳能电池中经典活性层材料PTB7-Th共轭骨架结构，根据是否在PTB7-Th中化学掺杂苯联异喹啉铱配合物合成了两种聚合物，通过比较它们的分子量、光学性质、电化学性质、光伏性质，发现Ir配合物的添加，可以提升太阳能电池的能量转换效率(PCE)。

关键词：聚合物太阳能电池 铱配合物 给体 光电转换效率

Study on the synthesis and properties of new triplet containing photovoltaic materials

Abstract

It is the most effective way to solve the problem about energy shortage and environmental pollution which the human beings faced by making the most of the renewable and clean solar energy. Currently, inorganic solar cells based on materials are mature efficiency of around 15-25%, and thus, dominate photovoltaic (PV) technologies available commercially. However, the high cost, complex processing technology of inorganic solar cells, and related environmental issues have partially impeded their pace to widespread deployment, which spurs effort to explore alternative approaches given the growing demand for power worldwide. Compared with Inorganic Solar Cells, organic solar cells (OSCs) hold promise for fabricating lightweight,flexible devices via the low-cost and high-throughput roll-to-roll production process. The chemical structure can be easily modified, designed, tailoring. Organic solar cells have great research and application prospect. This paper is based on the PTB7-Th conjugated skeleton structure. We have synthesized two polymers with or without triplet Ir complexes. Molecular weight, optical, electrochemical properties and photovoltaic properties have been investigated. And it is found that compared with the control polymer, the conjugation of 1 mol% of Ir complex to PTB7-Th backbone can enhance the PCE of solar cells.

KEYWORDS: Organic Solar Cells; Iridium complex; Donor; Power conversion efficiency

目 录

摘要………………………………………………………………………I

ABSTRACT……………………………………………………………..II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 有机太阳能电池器件结构及制备 2

1.2.1 器件结构 2

1.2.2 器件制备 2

1.3 有机太阳能电池分类 2

1.3.1 肖特基型单层电池 3

1.3.2 双层D/A异质结电池 3

1.3.3 D/A本体异质结电池 3

1.3.4 叠层电池 3

1.4 有机太阳能电池工作原理 4

1.5 有机太阳能电池器件性能表征 5

1.6 改善太阳能电池效率的途径 7

1.7 聚合物太阳能电池活性层给体材料 7

1.7.1 分子结构设计改进 8

1.7.2 器件结构的改进 12

1.8 论文思路 13

第二章 实验部分 14

2.1 材料的表征与设备 14

2.2 实验药剂 14

2.3 实验内容 15

2.3.1 苯联异喹啉(piq)的合成 15

2.3.2 dbm-2Br的合成 16

2.3.3 (piq)₂Ir(dbm)的合成 16

2.3.4 PTB7-Th的聚合 17

2.3.5 PTB7-Th(piq)₂Irdbm的聚合 17

第三章 结果与讨论 19

3.1 聚合物的表征和分子量的影响 19

3.2 聚合物的光学性质 19

3.3 聚合物的电化学性质 20

3.4 聚合物的光伏性质 21

第四章 结论与展望 23

参考文献 24

致 谢 31

第一章 绪论

1.1 引言

充分利用取之不尽、用之不竭的清洁能源——太阳能，是解决目前人类所面临的能源短缺和环境污染等问题的最有效途径。目前，商业化的光伏技术以无机太阳能电池为主，其效率在15-25%之间。但是，由于生产工艺复杂，成本高，不易实现大面积器件以及制造过程中带来的严重环境污染等问题，限制了无机太阳能电池的大规模应用^[1]。相较于无机体系，有机太阳能电池具有一些独特的优势：1)有机材料质量轻，柔性好；2)易于针对化学结构进行分子优化、设计、裁剪、合成出性能更优的有机材料；3)电池器件制备工艺简单，可采取印刷、喷墨、打印等溶液加工法，成本低；4)容易制备大面积柔性器件。所以，有机太阳能电池有着很大的应用前景和研究价值。

我们基于聚合物太阳能电池（PSCs）进行研究，目前PSCs的能量转换效率已从五年前的6%提升到现在的12%左右，且仍处于上升阶段。其中活性层材料的开发已成为大家关注的焦点。就本课题研究的PTB7-Th材料，继首次发现该结构的Chen课题组^[2]，世界上有很多课题组也基于该分子做了进一步的研究。目前，通过对器件结构层的改进，基于PTB7-Th为给体的活性层的太阳能电池的能量转换效率已经可以达到10.5%^[3]。和他们不同的是，本课题组是针对聚合物结构作了研究，把不同低浓度的三线态Ir配合物 (0, 0.5, 1, 1.5, 2.5 and 5 mol%)通过辅助配体dbm共聚至聚合物共轭骨架PTB7中，成功得到了一系列窄带隙聚合物PTB7Irx。聚合物的光学、电化学、光伏性能被系统地用来研究。在三种不同的器件制作条件下，PTB7Ir0.01的PCE相比PTB7Ir0的PCE分别提升了45%、39%和31%^[4] 。在此研究的基础上，我们把其中2，4-二氟苯基吡啶(dfppy)单元改为苯联异喹啉(piq),并掺杂1%铱配合物合成出新的聚合物，对其的各种性质进行研究。

1.2 有机太阳能电池器件结构及制备

1.2.1 器件结构

如图1-1中所示为常见的有机太阳能电池结构，有机光伏活性层被夹在两个功函数不同的电极之间，阳极常用透明的氧化铟锡(ITO)，阴极则采用金属，常用的有Al，Ca等。在活性层和电极中间会依据特定情况加入其他修饰层，如PEDOT:PSS，LiF，ZnO，TiO_x等。活性层的材料由电子给体(Electron-donating，D)材料和电子受体材料(Electron-accep-ting，A)构成。其中被广泛应用在给体材料中的是含共轭结构的小分子类化合物或聚合物，最具代表性的是P3HT，受体材料用得较多的则是富勒烯、苝酰亚胺或者萘酰亚胺的衍生物，如[6，6]-phenyl-C61-butyric acidmethyl ester (PC₆₁BM)，[6，6]-phenyl-C71-butyric acidmethyl ester (PC₇₁BM)等^[5]。

1.2.2 器件制备

这里器件制备主要针对的是聚合物太阳能电池，聚合物太阳能电池的制备主要有六个步骤，分别为：(1) ITO刻蚀；(2) 基片清洗；(3) 紫外光臭氧(UVO)预处理；(4) 透明导电聚合物PEDOT:PSS修饰ITO电极；(5) 旋涂活性层；(6) 负极金属蒸镀。

1.3 有机太阳能电池分类

根据器件结构和活性层的组成，有机太阳能电池可以分为四种结构类型：(1)肖特基型单层电池；(2) 双层D/A异质结电池；(3) D/A本体异质结电池；(4) 叠层电池。

1.3.1 肖特基型单层电池

图1-2(a)为肖特基型单层电池器件结构，有机聚合物薄膜吸收光产生激子后，电子跃迁至LUMO轨道，空穴则留在HOMO轨道上。因此，在有机单层器件中，使激子解离的驱动力主要是来自于阴极与阳极之间功函数的差异导致的内建电场^[6,7]。

1.3.2 双层D/A异质结电池

双层器件是由给体(D)和受体(A)分别排列在阴极与阳极之间形成的，器件结构如图1-2(b)所示。在双层器件结构中，光电转换有如下四个步骤：1) 吸收光产生激子；2) 激子扩散至异质结界面；3) 激子在异质结界面处解离成自由电荷与空穴；4) 自由电荷传输至相应的电极 ^[7,8]。

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