大学毕业设计咔唑类聚合物太阳能电池材料的研究.docx
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大学毕业设计咔唑类聚合物太阳能电池材料的研究
毕业论文(设计)
题目咔唑类聚合物太阳能电池材料的研究
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8)致谢
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1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
3)其它
目录
0引言3
1聚合物太阳能电池的结构和基本原理4
1.1聚合物太阳能电池的结构4
1.2聚合物太阳能电池的基本工作原理5
2聚合物太阳能电子给体材料5
2.1聚对苯撑乙烯衍生物(PPV)5
2.2基于噻吩的共轭聚合物(PT)6
2.3聚芴类共轭聚合物6
2.4低能带聚合物7
2.5咔唑类共轭聚合物7
3聚合物太阳能电子受体材料8
4实验部分8
4.1主要仪器和试剂9
4.1.1实验主要仪器9
4.1.2实验试剂9
4.2实验步骤10
4.2.13,6-二溴-9-(2-乙基己基)咔唑的制备10
4.2.22,7-二溴-9-(2-乙基己基)咔唑的制备12
5产物表征及分析13
5.1红外光谱13
5.1.14,4'-二溴联苯硝化产物的红外光谱分析14
5.1.2制备的2,7-二溴咔唑与标准2,7-二溴咔唑的红外光谱分析14
5.1.32,7-二溴-9-(2-乙基己基)咔唑的红外光谱分析15
5.21H-NMR核磁谱图15
5.2.13,6-二溴-9-(2-乙基己基)咔唑的1H-NMR核磁谱图15
5.2.22,7-二溴-9-(2-乙基己基)咔唑的1H-NMR核磁谱图16
6结论与展望17
参考文献:
18
Abstract20
致谢21
咔唑类聚合物太阳能电池材料的研究
殷庆尧
南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏南京,210044
摘要:
随着现代工业的发展,全球能源危机和大气污染问题日益突出,太阳能作为理想的可再生能源受到许多国家的重视。
太阳能电池作为太阳能利用方式中最有前途的一种备受关注。
与无机太阳能电池相比,聚合物太阳能电池性能更加优异,而咔唑类聚合物材料具有刚性稠环结构、分子内电子转移强、空穴传输性良好及易于将多种多功能基引入咔唑环上的优点,在太阳能电池材料领域更显示出广泛的潜在应用价值。
本文介绍了聚合物太阳能电池的原理和几种常见的给受体材料。
设计并合成了咔唑类聚合物的前驱物,并对其结构进行了表征。
关键词:
聚合物太阳能电池;电子给体材料;咔唑类聚合物
Researchonpolymersolarcellmaterialsofcarbazole
YinQing-yao
CollegeofEnvironmentalScienceanEngineering,NUIST,Nanjing210044,China
Abstract:
Withthedevelopmentofmodernindustry,theproblemsofenergyshortageandenvironmentalpollutionhavebecomeincreasinglyserious.Asthemostpromisingwayofusingsolarenergy,greatattentionhasbeenpaidtosolarcellsbypeopleallovertheworld.Comparedwithinorganicsolarcells,polymersolarcells(PSCs)exhibitmoreexcellentperformance.Moreover,polymermaterialsbasedoncarbazolehaveseveraladvantages,suchasrigidfusedringstructure,strongintramolecularelectrontransfer,goodhole-transportandeasytointroduceavarietyofmulti-functionalgroupsincarbazolering.Inthispaper,theprincipleofPSCswasintroducedaswellasthedonormaterialsandtheacceptormaterialsofPSCs.Meanwhile,thepredecessorsofpolymermaterialsbasedoncarbazolehavebeensynthesized.Atlast,thecharacteristicswerediscussed.
Keyword:
Polymersolarcells;Electrondonormaterials;Polymermaterialsbasedoncarbazole
0引言
自第二次工业革命以后,化石能源一直在世界能源中扮演着不可替代的角色,小到人们的出行大到一个国家的经济发展都与它息息相关。
然而,由于化石能源是远古时期遗留下来的动植物的遗骸在地层下经过上万年演变形成的,一旦使用就无法再生,所以极其珍贵。
在人类数世纪无节制的开采下,接近枯竭,能源危机随即而来。
不仅仅是能源危机,化石能源的使用也带来了严峻的环境问题,大量的化石能源消费,引起温室气体排放,使大气中温室气体浓度增加、温室效应增强,导致全球气候变暖。
不仅如此,它也是造成酸雨和雾霾的罪魁祸首[1]。
所以,人类急需一种洁净的新能源来解决现在的困境。
太阳能作为一种能源,不仅取之不尽,用之不竭,还具有无污染,使用方便,不影响地球的生态平衡等优点,而这些是常规能源无法比拟的。
如何充分地开发和利用太阳能就成了人们努力的重点。
太阳能电池作为太阳能的开发利用方式中最为有效的,是利用光生伏打效应将其转变成电能的装置[2]。
正因为如此,太阳能电池的研究受到许多国家的重视,单晶硅材料太阳能电池也凭借极高的光电转换效率占据了绝大多数的太阳能电池市场。
然而,由于成本高,大幅降低其成本很困难[3],限制了其更好的发展,所以,人们开始在新型材料中寻找突破。
与无机太阳能电池相比,聚合物太阳能电池在成本、重量、生产工艺和制备柔性器件方面具有突出的优势[4],除此之外,共轭聚合物材料种类多样齐全,可设计性强,可以通过改变材料的性质有效的提高太阳能电池的性能。
性能优秀的PCBM类电子受体材料自从1995年被Wudl[5]发明之后,电子给体材料在新材料的开发领域开始变得活跃起来。
与小分子化合物相比,共轭聚合物优势很多:
(1)拥有利于激子和电荷载流子传递的维延伸的π共轭体系;
(2)易通过聚合物的结构设计来调控其光吸收能力等物性:
溶液成膜性较好。
所以,广大科研工作者开始对聚合物型电子给体材料产生极大兴趣,新的结构和合成方法层出不穷,性能优秀的材料不断涌现,确实提高了光电转化效率。
在聚合物太阳能电池给体材料中,咔唑类化合物由于拥有大共轭体系、含有刚性稠环结构、分子内电子转移强、空穴传输性良好以及易于把多种功能基引入到其刚性的咔唑环上等优点,使得咔唑类杂环化合物在太阳能电池材料的领域已显示出广泛的潜在应用。
相关领域的研究十分活跃并取得了许多重要的研究结果。
尽管如此,在许多领域还需进一步深入。
1聚合物太阳能电池的结构和基本原理
1.1聚合物太阳能电池的结构
一般,正负电极和有机聚合物光敏活性层构成了聚合物太阳能电池的主要部分。
光敏活性层可分为单层结构、双层异质结结构和体异质结结构。
以下五个步骤简要概括了太阳能电池光电转换的过程:
吸收入射光产生激子-激子扩散-电荷分离-电荷传输-电荷收集。
激子在单层结构器件中多数都因为复合而淬灭而导致效率都比较低(小于0.1%)。
相比于单层结构器件,给体材料在吸收太阳光产生激子后,在由给体和受体两种材料构成的双层活性层结构中,激子进入到扩散范围内,但却遭遇到受体材料,导致激子因为两种材料的前线分子轨道能极差而发生分离,使得器件的性能提升很大。
激子的扩散长度为几纳米到几十纳米,而激子只有在给体和受体相距几纳米到几十纳米之间产生才能够被有效分离,所以,在双层异质结结构的光敏层过厚的情况下,器件的性能将会降低。
但是,活性层仅仅具有与激子扩散长度相近的厚度也是不能够有效吸收太阳光的,这使得器件性能的提高被大大限制住了。
给体和受体共混组成了体异质结太阳能电池活性层,可以很好的互相分散此类器件的给体受体,所以聚合物材料中激子扩散长度短的难题能有效得被解决,从而使得激子分离的效率也大大提高。
图1聚合物太阳能电池结构
1.2聚合物太阳能电池的基本工作原理
有机光伏器件作为聚合物太阳能电池的最重要的做成部分,电池性能的好坏是由其能量的转换效率直接决定的。
有机光伏器件是由光敏活性层夹在ITO透明阳极和阴极之间所组成的一类给体/受体异质结型器件,给体/受体双层器件和给体/受体共混的本体异质结型器件是最具有代表性的。
当敏活性层被透过ITO的电极照射到,使光上的光子具有适当能量时,光敏活性层上的给体或受体材料会将其吸收并产生激子,激子扩散到给体/受体界面,并在那里发生电荷分离,空穴在给体上产生、电子在受体上产生,随后阳极收集沿给体传递到阳极的空穴,沿受体传递到阴极的电子被阴极收集,使光电流和光电压产生。
很明显,有机光伏器件的性能在很大程度上依赖于电荷传输性能(给体的空穴迁移率和受体的电子迁移率)、给体和受体材料的吸光性能(吸光波长和吸收系数)、包括其最高占有轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级的位置(决定激子在给体/受体界面上的电荷分离性能)。
为了实现电荷的分离,确保给体中的激子在LU
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