基于聚噻吩-ZnO納米晶雜化太陽能電池微觀形貌調(diào)控及其性能提高.pdf

1、無機太陽能電池，由于其制備成本高，機械性能差等缺點，限制了其應(yīng)用空間。有機太陽能電池，制備成本低，質(zhì)量輕，具有好的機械柔韌性等優(yōu)點，近年來引起了人們的廣泛關(guān)注。經(jīng)過科學(xué)家們幾十年的努力，目前基于共軛聚合物和富勒烯衍生物的有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破10％。然而，由于富勒烯衍生物低的消光系數(shù)，只能捕獲很有限的一部分太陽光。與富勒烯衍生物相比，無機半導(dǎo)體納米晶具有長期的穩(wěn)定性，對太陽光譜具有相當(dāng)大的吸收范圍，可以從紫外區(qū)到近紅外區(qū)，

2、具有高的電子遷移率，電子特性和幾何形貌都可以調(diào)控，因此得到了廣泛的關(guān)注。有機無機雜化太陽能電池，活性層由共軛聚合物和無機半導(dǎo)體納米晶組成，受體用無機半導(dǎo)體納米晶取代富勒烯衍生物，這樣可以進一步的減少制備成本。但是，目前有機無機雜化太陽能電池的器件效率比較低，主要是由于活性層的微觀形貌難以控制。在傳統(tǒng)的有機無機雜化太陽能電池中，活性層是通過共軛聚合物和無機半導(dǎo)體納米晶共混制備的，無機半導(dǎo)體納米晶受體容易聚集，發(fā)生宏觀相分離，難以形成連續(xù)的

3、互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，共軛聚合物和納米晶相容性差，界面接觸不好，不利于激子的分離和自由電荷的傳輸。高效的有機無機雜化太陽能電池要求無機半導(dǎo)體納米晶和共軛聚合物之間要有好的界面接觸，才有利于激子的分離。同時還要求活性層能形成連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為載流子的傳輸和電荷的收集提供高效連續(xù)的通道。采用在共軛聚合物中原位生長無機半導(dǎo)體納米晶和用半導(dǎo)體液晶小分子配體對無機半導(dǎo)體納米晶表面進行修飾的方法可以解決這些問題。
　　 首先，本論文通過原位水解

4、的方法在具有自組裝行為的聚-3-己基噻吩-b-聚甲基丙烯酸乙酸鋅(P3HT-b-PZnMAAc)中原位生長一維棒狀ZnO納米晶。由于自組裝的P3HT-b-PZnMAAc的模板作用，棒狀的ZnO納米晶能均勻的分散在整個雜化體系中，沒有明顯的相分離，表明ZnO納米晶和P3HT具有很好的相容性和大的界面接觸。P3HT/ZnO雜化膜的形貌能夠通過改變水解時間來調(diào)控。更有趣的是棒狀的ZnO納米晶是通過準球狀的ZnO納米粒子自組裝而成的。P3HT/

5、ZnO雜化膜在光電器件中的應(yīng)用也進行了研究。水解1小時得到的P3HT/ZnO雜化膜的熒光淬滅程度達到70％，將其運用到雜化太陽能電池中作為活性層，器件的能量轉(zhuǎn)換效率達到0.19％。
　　 其次，將在聚合物中原位制備無機半導(dǎo)體納米晶和交聯(lián)的方法引入到活性層的制備中來。通過原位聚合制備了一種交聯(lián)的聚合物前軀體，能原位水解制備交聯(lián)的P3HT/ZnO雜化體系，提高器件的穩(wěn)定性。我們合理的設(shè)計并通過P3HT氮氧自由基大分子引發(fā)劑P3HT-

6、TIPNO引發(fā)甲基丙烯酸鋅(Zn(MA)2)原位聚合制備了交聯(lián)的P3HT-b-PZn(MA)2嵌段共聚物，作為原位水解制備P3HT/ZnO雜化膜的模板和前軀體。對器件基于水解交聯(lián)的P3HT-b-PZn(MA)2嵌段共聚物得到的交聯(lián)的P3HT/ZnO納米復(fù)合膜和未交聯(lián)的P3HT/ZnO進行了比較。器件基于交聯(lián)的P3HT/ZnO納米復(fù)合膜具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，主要是交聯(lián)結(jié)構(gòu)抑制了ZnO納米晶在聚合物基質(zhì)中的擴散，提高了ZnO納米粒

7、子在聚合物中的分散性，交聯(lián)的結(jié)構(gòu)抑制了宏觀相分離現(xiàn)象的發(fā)生，有效的提高器件的穩(wěn)定性。
　　 最后，本文制備了一種基于4，7-聯(lián)苯-2，1，3-苯并噻二唑末端單巰基功能化的液晶(LC)，將液晶分子配到ZnO納米粒子表面，能明顯提高ZnO納米粒子的分散性，在液晶態(tài)溫度(160℃)下退火時，能賦予ZnO納米粒子自組裝行為。將這種LC-ZnO雜化材料運用到P3HT/LC-ZnO有機無機雜化太陽能電池中作為受體，能提高P3HT鏈的有序性和

8、P3HT的結(jié)晶性，器件的短路電流能得到明顯的提高。更有趣的是在液晶態(tài)溫度退火，P3HT/LC-ZnO膜的形貌能得到更好的改善，表明在液晶態(tài)溫度下，LC-ZnO的自組裝能誘導(dǎo)P3HT的自組裝，使P3HT鏈排列更有序，為電荷的傳輸提供了一個有序通道，從而使器件的效率得到明顯的提高。總之，將具有自組裝的LC-ZnO運用到活性層中，能改善相分離，P3HT的結(jié)晶性以及活性層結(jié)構(gòu)的有序性，因此，這將是一種很有希望的方法來提高有機無機雜化太陽能電池的