导电高分子材料在太阳能电池方面的应用

1、精选优质文档-倾情为你奉上导电高分子材料在太阳能电池方面的应用高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。除一般的结构材料外，一些高分子材料还具有光电磁等性能。下面，本文将对导电高分子材料在太阳能电池方面的应用作一下介绍。太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，将太阳能转换成电能的太阳电池成为各国科学界研究的热点和产业界开发的重点。聚合物薄膜太阳能电池较已经发展的较为成熟并且商品化了的硅电池、薄膜无机电池以及染料敏化电池，有着成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，另外聚合物材料种类繁多，可设计性强，有希望通过结构和材料

2、的改性来提高太阳电池的性能。因此，这类太阳电池具有重要发展和应用前景。聚合物材料在太阳能电池上的应用包括作为给体材料，受体材料，空穴传输层材料已经柔性电极，在此，我们只对其作为给体材料做简单介绍。在太阳能电池中有几个非常重要的表征参数：PCE（光电转换效率）、Voc（开路电压）、Jsc（短路电流）、FF（填充因子）。而这些参数与聚合物的吸收光谱、电荷载流子密度、电子能级、溶解性以及聚集和形貌有着密切关系。首先，我们希望共轭聚合物材料在可见-近红外区应该具有宽而强的吸收，从而有利于Jsc的提高；另外，我们需要给体材料有高的空穴迁移率，受体材料有高的电子迁移率，并且尽量保证空穴电子传输平衡；因为给

3、体和受体的LUMO能级差必须满足一定条件才能实现激子分离，而且受体的LUMO和给体的HOMO能级差值决定电池的Voc，所以在保证较窄的带隙和激子的有效电荷分离的前提下，适当降低给体的HOMO能级或提高受体的LUMO能级可以提高聚合物太阳能电池的Voc，从而提高电池的能量转换效率。因为这种电池的活性层是由给/受体的混合溶液涂膜制备的，因此给体和受体材料都需要有好的溶解性和成膜性。最后，给体和受体的适度聚集可以增强材料对材料对太阳光的吸收和提高载流子传输性能，但过度聚集会影响给/受体的互穿网络结构的形成，从而影响激子解离，所以我们希望给体和受体光伏材料具有适度的聚集和优化的互穿网络结构的性能。下面

4、将基于以上几点对以下具体的聚合物材料做介绍。一、p-型共轭聚合物作为给体光伏材料1、聚噻吩衍生物聚噻吩在导电聚合物和共轭聚合物光电子材料方面都占有重要地位。在掺杂导电聚合物方面，聚噻吩与聚吡咯和聚苯胺一起是研究得最多的导电聚合物材料。尤其值得指出的是，得到商品化应用的透明导电聚合物PEDOT：PSS（被广泛应用于聚合物发光二极管和聚合物太阳电池的阳极修饰层、透明防静电涂层和导电聚合物的固体电容器中）就是一种聚噻吩衍生物。高导电的PEDOT：PSS也被用作柔性透明导电电极材料。2002年，Alivisatos等在研究共轭聚合物、CdSe半导体纳米棒杂化太阳能电池是使用了聚（3-己基噻吩）（P3H

5、T）作为共轭聚合物给体材料，能量转换效率达到1.7%1。现在P3HT已成为最具代表性的共轭聚合物给体光伏材料，其优点是高的空穴迁移率、与富勒烯衍生物受体PCBM能形成恰到好处的纳米尺度聚集的互穿网络结构、适宜制作大面积光伏器件等。但是，P3HT也存在HOMO能级太高和吸收光谱不够宽等问题，降低HOMO能级和拓宽可见区吸收是设计新型聚噻吩衍生物光伏材料需要考虑的主要问题。无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径。在聚噻吩中将具有“首尾-首尾”结构单元所占的比例看作聚噻吩的区域规整度。具有区域规整的P3AT由于重复单元之间的空间位阻比较小，容易得到更好的平面性和更强的链间相互作用

6、，所以与非区域规整的聚噻吩相比，其有效共轭长度有明显的提高、吸收光谱红移和拓宽并且具有更高的迁移率。P3AT的光伏性能以P3HT最佳，烷基链增长和减小都会使其光伏性能变差。具体的说，器件的开路电压随烷基链的增长而稍有提高，但短路电流值随烷基链的增长而显著下降，导致能量转换效率也下降。P3AT分子量的大小对光伏性能也有影响，这主要是因为其空穴迁移率与分子量有关，分子量越大迁移率越高，同时，P3AT的分散度和器件退火温度也对光伏性能有较大影响。基于商品化的P3HT和PCBM，其光伏效率可稳定在3.5% 到4.0%，是目前使用最多的聚合物给体材料。为提高光吸收，考虑增强共轭程度，研究者把共轭支链引入

7、到聚噻吩的结构设计中2,3，从而拓宽了可见吸收并提高了空穴迁移率。又有研究者设计合成了共轭链段桥连的交联型聚噻吩衍生物4,5，即在两条聚噻吩链间插入一个共轭桥链，可以有效的提高空穴迁移率，但是大的共轭桥连会使这个链发生扭曲，所以光伏性能也不理想。2、聚对亚苯基乙烯主链含乙烯双键的共轭聚合物具有简单的主链结构。其中聚对亚苯基乙烯（PPV）衍生物（主要是MEH-PPV和MDMO-PPV）具有强的荧光和高的光电转换外量子效率，但其吸收边只有550nm，导致其太阳光利用率低，同时其链间相互作用较弱导致其空穴迁移率较低，所以其最高光伏效率只能达到3%左右6。但是由于MEH-PPV和MDMO-PPV属于最

8、具代表性的光电活性共轭聚合物之列，因此它们在聚合物太阳能电池器件物理的研究中仍可发挥重要作用。另外它们也属于效率较高的宽带隙光伏材料，将来也有可能在多级叠层聚合物太阳电池中得到应用。为提高空穴迁移率，研究者又合成了聚噻吩乙烯（PTV）衍生物，这类聚合物具有较窄的带隙，宽的可见区吸收，高的空穴迁移率等突出优点，但是烷基取代PTV没有荧光，导致其光伏性能很差7。通过吸电子基团酯基取代使PTV衍生物呈现了弱的荧光，并且光伏性能显著提高，超过了2%8。宽吸收和高空穴迁移率使PTV衍生物成为潜在的、具有简单主链结构的高效聚合物光伏材料，但是要想把潜力变为现实，还需做出艰苦的努力。3、窄带隙D-A共聚物给

9、体光伏材料高效聚合物给体光伏材料需要可见-近红外区宽的吸收（较窄的带隙）以及适当较低的HOMO能级，这些都可以通过合适的给电子（D）和受电子（A）结构单元的D-A共聚物来实现，因此这类共聚物近年来成为聚合物太阳电池新型共轭聚合物给体光伏材料研究的主要对象。聚合物材料的带隙受其主链结构、侧链结构及链间相互作用等因素影响。降低聚合物材料带隙的方法主要有引入给电子单元-吸电子单元交替结构和引入醌式结构。2003年，Andersson和Inganas等首次将芴与苯并噻二唑的D-A共聚物PFDTBT用于聚合物太阳电池的给体光伏材料，获得了2.2%的光电能量转换效率9，而最近合成的多个D-A共聚物给体材料

10、的光伏效率超过了7%10-13。Chen14合成了基于四联噻吩与苯并噻二唑的D-A共聚物POD2T-DTBT，该聚合物具有较低的HOMO能级和较窄的带隙，膜的吸收边达到780nm，以及高的空穴迁移率，用FET即场效应晶体管方法测量的空穴迁移率高大0.2cm2/V.s.基于该聚合物和PC70BM的光伏器件的Voc=0.722V， Jsc=12.3mA/cm2, FF=70.5%,光电转换效率达到了6.26%。Wei13研究了溶剂添加剂对基于二联噻吩与噻吩并吡咯二酮（TPD）的共聚物PBTTPD光伏性能的影响，以PC70BM为受体，用1,6二碘己烷作为添加剂，光电转换效率达到了7.3%。基于芴的D

11、-A共聚物PAFDTBT15在使用1,8二碘辛烷作为添加剂，以PC70BM作为受体的效率也从4.8%提高到了6.2%。将芴中碳原子用硅原子代替后得到了硅芴单元，硅芴单元比芴单元的聚合物具有更好的载流子传输能力。曹镛等16合成了硅芴和苯并噻二唑的交替共聚物PSiF-DBT，其膜的带隙为1.82eV，吸收边 700nm。以PCBM作为受体，器件的Voc=0.90V，Jsc=9.5 mA/cm2，FF=50.7%，PCE达到5.4%。其器件高的开路电压得益于该聚合物较低的HOMO能级。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。该聚合物有很好的

12、热稳定性，其薄膜在300700nm有两个吸收峰，吸收边在660nm，对应的带隙为1.88eV。基于PCDTBT/PCBM的光伏器件的开路电压短路电流以及能量转换效率分别为0.89V，6.92 mA/cm2和3.6%。后来，Heeger等通过使用TiOx阴极修饰层（起到光学隔离层和空穴阻挡层的作用），并使用PC70BM，使基于PCDTBT的聚合物太阳能电池的效率提高到6.1%。另外，基于二噻吩并噻咯、苯并二噻吩等的给体单元的D-A共聚物也都表现出了有潜力的光伏前景。总之，目前研究的作为聚合物太阳能电池给体材料的共轭聚合物种类繁多，很多都表现出了优异的或者有潜力的光伏性能，而且可以通过改变主链结构

13、及侧链取代基的方法进一步优化其性能，为聚合物太阳能电池将来取代硅电池以及无极薄膜电池等提供了无限可能。参考文献：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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