摘 要

近年来，共轭聚合物-富勒烯太阳能电池的研究不断深入，实验室原理型电池器件的光电转换效率已到了12%左右，逐渐接近商业应用标准。然而，这些报道的高性能给体聚合物材料所对应器件的光电转换效率已接近理论极限，开发具有更高光电转换性能的新聚合物给体材料是非常重要的研究方向。支链在共轭骨架上不同位置取代形成异构，会对对应材料聚集态结构形成影响，并进而影响到其光伏性能，揭示取代支链位置异构对聚合物光电转换性能影响规律，对于后续设计制备新型高性能聚合物给体材料可提供指导性的知识。本文在合成在噻吩单元上具有不同位置烷基链取代的、基于苯并二环戊二烯并二硒吩-噻吩取代苯并噻二唑给受交替型共聚物材料基础上，构建聚合物-富勒烯体异质结太阳能电池器件，测试不同位置烷基链取代异构的聚合物的光电转换性能，并找到该材料支链取代的最佳位置，探讨支链位置异构对聚合物给体材料光伏性能的影响。

关键词：体异质结；共轭聚合物-富勒烯；支链；光伏性能

Abstract

In recent years, conjugated polymer-fullerene blended polymer solar cells have been widely investigated, which leading to a maximum power conversion efficiency(PCE) of proto type devices around 12%. However, the PCEs of the polymer donor materials with top photovoltaic performances have almost reached their up limit. Obviously, developing new polymer donor materials with better photovoltaic performance is of great improtance. Substituted side chains positioned at conjugated backbones will affect the aggregation structure of the material, and therefore affect their photovoltaic properties finally. This thesis describes the synthesis and photovoltaic properties of the donor-acceptor type copolymer material based on indacenodiselenophene and thiophene substituted benzothiadiazole. Three polymers were synthesized with substituted side alkyl chains on thiophenes at different position to afford three polymeric isomers. The suitable position of the alkyl chain substitute ion to obtain the best photovoltaic performance was figured out from measuring the photovoltaic peroperties of polymer-fullerene bulk heterojunction solar cell devices made of three polymers.

Keywords: bulk heterjunction; conjugated polymer-fullerene; side chains; photovoltaic

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1课题研究背景及意义 1

1.2太阳能电池 2

1.2.1太阳能电池的定义与分类 2

1.2.2影响太阳能电池性能的因素 2

1.3聚合物太阳能电池 3

1.3.1聚合物太阳能电池的优势 3

1.3.2聚合物太阳能电池的工作原理 3

1.3.3聚合物太阳能电池的参数 4

1.3.4聚合物太阳能电池中的给受体材料 6

1.4本文的选题意义及思路 7

第二章 不同位置烷基链异构的苯并二环戊二烯并二硒吩-二噻吩双取代苯并噻二唑的合成与性质表征 9

2.1引言 9

2.2实验部分 9

2.2.1实验药品 9

2.2.2实验仪器与设备 10

2.2.3实验过程 10

2.3测试与表征 12

2.3.1紫外-可见光吸收光谱分析 13

2.3.2热性能表征 14

2.3.2光伏性能 15

2.4本章小结 19

第三章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1引言

太阳能作为一种新兴的绿色清洁能源，一直是科学各界研究的重点对象。聚合物太阳能电池在发明之初的性能较差，不能满足使用需求，在最近的这几十年间，一些重要的相关成果相继被发现，从而带动了聚合物太阳电池研究的飞速发展，现如今，其光电转换效率已达到12%上下，逐渐接近工业应用的门槛。聚合物太阳能电池已经成为一种重要的利用太阳能的手段，其给受体材料以及电池器件仍在不断改进和优化中。

本节将介绍聚合物太阳能电池的研究背景及其意义，并简单介绍一些新型能源及其特点。

1.1.1课题研究背景及意义

人类的生产生活都离不开能源，从某种意义上说，能源关乎着人类的生死存亡，特别是十八世纪六十年代工业革命以后，全球能源的使用量连续翻番，超出了之前人类历史使用的总和。进入二十一世纪，全球经济快速发展，人口随之迅速膨胀，人民生活水平明显提高，对能源的需求量进入了一个新高度，于此同时，造成了一系列问题。

目前，全球依然以使用化石能源煤炭、石油、天然气为主，然而这些化石能源有限，据有关文献报道^[1]，已勘探储量中，煤炭还能使用200年，天然气还能使用50年，而石油仅仅还能用约20年，这些资源终有一天会枯竭，这使得全球各地都面临着巨大的能源危机。为争夺能源，国际和地区争端不断，造成了大量人员伤亡，为人类生存埋下了重大隐患。同时，大量使用化石能源还造成了严重的环境污染，这些化石能源的使用造成了SO₂、CO₂等气体的过量排放。使酸雨、雾霾等现象层出不穷，造成全球各地呼吸道疾病逐年递增，酸雨也造成大量农作物和建筑被破坏，对人们的生产生活造成严重影响。CO₂等气体的排放也造成两极冻土消融、全球降水量重新分配、气候异常等问题。此外，化石能源的开采和运输本身也造成重大环境问题，例如煤炭开采造成地表大面积塌方，大型油轮的泄露造成极其严重的海洋污染。

这些危机警醒了人们，人类逐渐意识到过度依赖传统能源的危害，大家开始积极寻找新的可替代能源。核能是上世纪60年代发展起来的一种新能源，从1954年起，全球陆续开始建设核电站，它利用核裂变反应所释放的能量产生电能，不会向外界排放大量有害气体，但核电站利用具有强辐射作用的重金属作为燃料，如果发生事故，后果将不堪设想。同时，核电站会产生大量核废料，这些废料无法处理，只能深埋地下，长时间无法分解，也是一大隐患。