(3.238.96.184) 您好!臺灣時間:2021/05/08 22:16
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果

詳目顯示:::

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:甘竣文
研究生(外文):Chun-Wen Kan
論文名稱:含4,4’-二烷基-3,3’-二腈基二噻吩共軛高分子之合成及其在有機光伏電池之應用
論文名稱(外文):Synthesis and Characterization of π-Conjugated Copolymers Containing 4,4’-Bisalkyl-3,3’-Dicyano-2,2’-Bithiophene Electron Acceptor and their Application for Organic Photovoltaics
指導教授:鄭如忠
口試委員:陳錦地陳志平李榮和王杏如
口試日期:2013-08-07
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:高分子科學與工程學研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:有機光伏打電池
外文關鍵詞:Organic photovoltaic cells
相關次數:
  • 被引用被引用:0
  • 點閱點閱:108
  • 評分評分:系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔
  • 下載下載:0
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
本研究經由Stille coupling反應聚合出一系列主鏈含有4,4’-二烷基-3,3’-二腈基二噻吩之π共軛高分子,PBTCNOc-T,PBTCNOc-2T,PBTCNOc-TT,PBTCNHx-DTTT 及 PBTCNOc-DTTT,藉由導入不同共軛長度的電子予體到主鏈之中,這些電子予體分別為噻吩、二噻吩、噻吩[3,2-b]並噻吩、3,6-二辛基-2, 5-二噻吩基噻吩[3,2-b]並噻吩,其中3,6-二辛基-2, 5-二噻吩基噻吩[3,2-b]並噻吩可看作是二噻吩及噻吩[3,2-b]並噻吩的混合結構,此電子予體結構中的辛基在製作溼式製程有機太陽能電池元件的過程中可以幫助其溶解度。
從實驗結果來看,不同共軛長度的電子予體會影響共軛高分子間的堆疊並影響其能階的變化。從吸收光譜圖來看,PBTCNHx-DTTT 及 PBTCNOc-DTTT這兩組高分子在薄膜狀態下的吸收與其在溶液狀態下的吸收相比有著顯著的紅位移。推測是這兩組高分子側鏈所在的位置及分布較容易促使高分子主鏈上的堆疊。這五組高分子由於含有腈基,這類強拉電子的官能基在上面,所以高分子的HOMO (最高佔據分子軌域)能階,受到腈基的影響,有被拉深的效果。隨著電子予體推電子能力的不同,對高分子的HOMO能階的深淺有著很大的影響。選用PBTCNHx-DTTT,及PBTCNOc-DTTT這兩組來做元件是由於這兩組高分子有較長的吸收波長,對可見光能夠有效的利用。而從元件的光伏特性表現來看,在高分子的共軛系統中導入腈基是讓元件的開路電壓提高至0.82 V的主因。
元件結構為ITO/ZnO/PBTCNOc-DTTT:PC61BM ( w/w = 1:1)/MoO3/Ag之反式異質接面之有機光伏電池可達到光電轉換效率為2.74 %,開路電壓為0.82 V,短路電流為6.97 mA/cm2,填充因子為0.48。而我們實驗室使用P3HT:PC61BM ( w/w = 1:1)以相同的元件結構所做成的反式有機太陽能電池座位對照,其光電轉化效率可達3.68 %,開路電壓為0.57 V,短路電流為11.17 mA/cm2,填充因子為0.58。

We have synthesized and characterized aseries ofnew-conjugateddonor-acceptor (D-A) copolymers (PBTCNOc-T,PBTCNOc-2T,PBTCNOc-TT,PBTCNHx-DTTT and PBTCNOc-DTTT) bearing dicyanobithiophene unit(BTCN) as the electron acceptorwith various thiophene-based unit as the electron donorvia Stille coupling reaction. The electron donors of these copolymers arethiophene (T),2,2’-bithiophene (2T),thieno-[3,2-b]thiophene (TT) and3, 6-dioctyl-2, 5-di(thiophen-2-yl)thieno[3, 2-b]thienothiophene (DTTT),respectively. The electron donor, DTTT can be considered as a hybrid form of 2T and TT, and the two n-octyl side chains on the thienothiophene unit provide the sufficient solubility of PBTCNHx-DTTT and PBTCNOc-DTTT necessary for the solution fabricationof organic photovoltaics. Experiment evidences indicate that different electron donor moiety affects the stacking of the copolymers and hence their energy levels.A pronounced red-shifted UV-visible absorption band was observed for the thin films sample of PBTCNHx-DTTT and PBTCNOc-DTTT when compared with that of solution samples. This is attributed to the appropriate location and distribution of the alkyl side chains that affects the main chain stacking of these copolymers. All copolymers studied herein containing cyano (CN) substituents, strong withdrawing functional groups. The HOMO energy levelof these copolymers are all deepened IV
compared with that of poly(3-hexyl)thiophene (P3HT). Such deepened HOMO energy level are beneficial to the increasing open-circuit voltage (VOC) of the device. The power conversion efficiency (PCE) of inverted bulk-heterojunction organic photovoltaics(OPVs)based on ITO/ZnO/PBTCNOc-DTTT:PC61BM (w/w= 1:1)/MoO3/Agis2.74%. AVOCof 0.82V,short-circuit currentdensity (Jsc)of 6.97 mA/cm2, and fill factor (FF) of0.48,have been achieved. Aninvertedbulk-heterojunction OPVs based on ITO/ZnO/ P3HT:PC61BM ( w/w = 1:1)/MoO3/Ag wasalsofabricated tocomparewith aforementioned device of PBTCNOc-DTTT. It has a PCE of 3.68%, a VOCof 0.57V, Jsc of 11.17 mA/cm2, and (FF) of 0.58.


致謝 I
中文摘要 II
Abstract III
目錄 V
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 太陽能發展歷史與有機太陽能電池的優勢 1
1.3 有機太陽能電池的分類 2
1.4 太陽光頻譜與太陽能電池特性參數 5
1.5 高分子太陽能電池工作原理 7
1.6 高分子太陽能電池結構演進5 8
第二章 文獻回顧與研究動機 11
2.1 材料能隙的調整56 12
2.2 材料之能階與元件開路電壓的關係 15
2.3 降低材料HOMO 能階 16
2.4 提升材料載子傳輸能力 17
2.5 增進材料與碳球衍生物的奈米尺度混摻相容性 19
2.6 研究動機 21
第三章 實驗與合成步驟 23
3.1 使用藥品與溶劑 23
3.2 使用儀器 26
3.3 實驗流程 28
3.4 合成步驟 29
第四章 結果與討論 44
4.1 共軛高分子基本性質 44
4.1.1 高分子的結構與鑑定 44
4.1.2 高分子分子量 44
4.1.3 熱性質 45
4.2 光學特性 46
4.2.1 紫外光–可見光光譜(UV-vis) 46
4.3 材料能階圖 49
4.4 電化學特性 50
4.5 理論計算 53
4.6 有機光伏電池元件之光伏特性表現 57
第五章 結論 59
第六章 參考資料 60
圖目錄
圖1 1 可饒曲半透明之有機太陽能電池7 2
圖1 2 染敏型太陽能電池元件結構8 3
圖1 3 各類型太陽能電池光電轉換效率36 4
圖1 4 AM 1.5代表地表上太陽光的平均照度以及太陽光頻譜39, 126 5
圖1 5 太陽能電池伏安特性曲線40 6
圖1 6 高分子太陽電池工作原理41 7
圖1 7 高分子太陽能電池結構演進5 9
圖2 1 MDMO-PPV 和P3HT 在AM 1.5 日照下之吸收光譜52 11
圖2 2 分子結構與材料能隙之關係56 12
圖2 3 推電子基與拉電子基之軌域相互作用使能隙降低40 13
圖2 4 苯環與噻吩在芳香與醌型共振結構之相對貢獻40 14
圖2 5 高分子太陽能電池之開路電壓與HOMO 能階關係92 15
圖2 6 循環伏安法之電流電位圖94 16
圖2 7 主鏈含苯環結構或未取代共軛單元與側鏈含大型剛硬結構的高分子96-110 17
圖2 8 fluorene-thiophene 共聚合物電荷傳遞速率111 17
圖2 9 主鏈與側鏈含三苯胺結構之共軛高分子81, 112 18
圖2 10 主鏈含咔唑結構之共軛高分子93 18
圖2 11 P3HT與PCBMC系統經過熱處理後形成雙連續網狀結構118 19
圖2 12 高分子與碳球之間會有些微的相分離119 20
圖2 13 藉由加入1,8-diiodoctane(DIO)來幫助PCBM的分散121 20
圖2 14 不同側鏈密度之共軛高分子與碳球衍生物的奈米尺度混摻相容性(a) P3HT 和(b) PQT119122 21
圖2 15 主鏈含有4,4’-二烷基-3,3’-二腈基二噻吩之π-共軛推-拉高分子 22
圖4 1 共軛高分子結構示意圖 44
圖4 2 共軛高分子的TGA圖 46
圖4 3 共軛高分子DSC圖 46
圖4 4 高分子溶液的UV-vis吸收光譜圖 48
圖4 5 高分子薄膜的UV-vis吸收光譜圖 48
圖4 6 有機光伏電池中各材料能階比較示意圖 49
圖4 7 PBTCNOc-T之氧化(右)還原(左)電位圖 51
圖4 8 PBTCNOc-2T之氧化(右)還原(左)電位圖 51
圖4 9 PBTCNOc-TT 之氧化(右)還原(左)電位圖 51
圖4 10 PBTCNHx-DTTT之氧化(右)還原(左)電位圖 52
圖4 11 PBTCNOc-DTTT之氧化(右)還原(左)電位圖 52
圖4 12 各材料經電化學循環伏安儀所測得之能階比較示意圖 53
圖4 13 PBTCNOc-T之HOMO能階(左),LUMO能階(右)之電子雲分布圖 55
圖4 14 PBTCNOc-T之Attatch (左),Detattch (右)圖 55
圖4 15 PBTCNOc-2T之HOMO能階(左),LUMO能階(右)之電子雲分布圖 55
圖4 16 PBTCNOc-2T之Attatch (左),Detattch (右)圖 55
圖4 17 PBTCNOc-TT之HOMO能階(左),LUMO能階(右)之電子雲分布圖 56
圖4 19 PBTCNOc-DTTT 之HOMO能階(左),LUMO能階(右)之電子雲分布圖 56
圖4 20 PBTCNOc-DTTT之Attatch (左),Detattch (右)圖 56
圖4 21 兩種高分子與PC60BM比例1:1的J-V curve 57
表目錄
表3 1 藥品列表 23
表3 2 溶劑列表 25
表4 1 高分子之分子量與分子分佈 45
表4 2 五組高分子之光學性質 49
表4 3 五組高分子之電子能階及能隙 50
表4 4 高分子的電化學特性 52
表4 5 理論計算與實驗上所求得高分子之能階對照表 54
表4 6 兩種高分子與PC60BM比例1:1混參的光伏特性 57

1. Smalley, P. R. E. Energy & NanoTechnology Conference, Rice University May
3, 2003.
2. 馬振基; 張正華; 李陵嵐; 葉楚平; 楊平華有機與塑膠太陽能電池; 五南圖書出版股份有限公司, 2007.3. A.E.Becquerel Acad. Sci. 1839, 9.
4. Chapin, D. M.; Fuller, C. S.; Pearson, G. L. J. Appl. Phys. 1954, 25, 676. 1954.
5. Mayer, A. C.; Scully, S. R.; Hardin, B. E.; Rowell, M. W.; McGehee, M. D.
Materials Today 2007, 10, 28.
6. Gunes, S.; Neugebauer, H.; Sariciftci, N. S. Chem.Rev. 2007, 107, 1324. 2007.
7. Krebs, F. C.; Gevorgyan, S. A.; Alstrup, J. J. Mater. Chem. 2009, 19, 5442. 2009.
8. Hagfeldt, A.; Boschloo, G.; Sun, L.; Kloo, L.; Pettersson, H. Chem. Rev. 2010,
110, 6595.
9. O’Regan, B.; Gra. 1991.
10. Nazeeruddin, M. K.; Pechy, P.; Renouard, T.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry, R.;
Comte, P.; Liska, P.; Cevey, L.; Costa, E.; Shklover, V.; Spiccia, L.; Deacon, G. B.;
Bignozzi, C. A.; Gra
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
系統版面圖檔 系統版面圖檔