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研究生:黃正傑
研究生(外文):Cheng-Chieh Huang
論文名稱:以Dithiafulvalene和2,1,3-Benzothiadiazole基團為主鏈結構之D-A共軛高分子合成及其高分子太陽能電池應用探討
論文名稱(外文):Synthesis and Characterization of Dithiafulvalene and 2,1,3-Benzothiadiazole-based D-A Conjugated Polymers and Their Applications in Polymer Solar Cells
指導教授:楊博智楊博智引用關係
指導教授(外文):Po-Chih Yang
口試委員:廖建勛吳知易
口試委員(外文):Chien-Shiun LiaoTzi-Yi Wu
口試日期:2013-11-08
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:化學工程與材料科學學系
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:102
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:異質接面太陽能電池噻吩分子內電荷轉移鈴木偶聯反應
外文關鍵詞:BHJ solar cellsthiopheneintramolecular charge transferSuzuki coupling reaction
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由於以異質接面為主要的有機太陽能電池,本身結構具有共軛高分子當作電子供應體和以富勒烯衍生物為電子接受體組合,由於低成本、製備容易、質量輕及可撓取製作大面積化等特性,近年來在再生能源上已經引起非常廣大的研究興趣。為了提升有機太陽能電池的光電轉化效率,目前已有許多研究把焦點和研究精力擺放在新穎性共軛高分子和富勒烯衍生物的分子設計和合成工作上。目前已知在共軛高分子當作電子供應體的部分要有寬廣的吸收範圍、高莫耳吸收係數和高電洞遷移率,能與富勒烯衍生物形成奈米級和連續性相互滲穿的網狀結構。
本研究利用Suzuki與Yamamoto coupling reaction合成了一系列含有二硫富瓦烯(DTF)衍生物為電子供應體和2,1,3-苯並噻二唑(BT)為電子接受體的D-A或D-π-A的共軛高分子。我們相信利用DTF獨特的光電性質,並配合適當的推拉電子結構產生吸收波長紅位移,可以讓共軛高分子在光電特性上有所突破。我們所合成高分子裂解溫度大約在211.3 oC到432.2 oC,玻璃轉移溫度約131.7 oC到151.3 oC之間。觀察UV/Vis吸收光譜,高分子PFBT、PFTBT、PFDTBT及PFTDTBT,皆因導入2,1,3-benzothiadiazole基團後,使得上述的高分子產生分子間電荷轉移,將吸收波長調整至可見光區。在太陽能電池元件方面,我們將PTBT摻混至P3HT/PCBM的活性層中,並組裝成高分子太陽能電池,我們發現摻混PTBT 2 %與5 %後,光電轉換效率從原本的1.01 %提升至1.72 %與1.78 %,其開路電壓也因摻混5 % PTBT後從原本0.39 V提升至0.57 V,電流密度也從原本5.60 mA/cm2提升至6.08 mA/cm2,填充因子也從原本46.3 %提高至51.3 %。其中摻混2 % PTBT後,載子遷移率由原本2.01 × 10-4 cm2V-1S-1升至4.59×10 -4 cm2V-1S-1,其載子遷移率的提升,我們推測為PTBT較強的分子間相互作用力,進而增強了分子整體的電荷轉移。摻混少量的PTBT所造成PCE的提升,推測是因為其載子遷移率與吸收強度增強所產生的共同結果。
Recently, organic photovoltaic cells (OPVs) based on bulk hetero-junction (BHJ) between an electron rich π conjugated polymer donor and an electron deficient fullerene-based acceptor have attracted considerable attention for applications in renewable energy, because of their advantages of having low cost and easy fabrication, being lightweight, and having the capability to fabricate flexible large-area devices. For increasing power conversion efficiency (PCE) of the PSCs, great efforts have been devoted to the design and synthesis of new conjugated polymer donor and new fullerene derivative acceptor photovoltaic materials. It has been realized that an ideal polymer donor in OPVs should exhibit broad with high absorption coefficient in the visible region and an energy level suitable for a fullerene acceptor to form a nanoscale bicontinuous interpenetrating network. To date, the design and synthesis of donor-acceptor (D-A) copolymers has been proven to be one of the most successful strategies to satisfy the above requirements.
A series of well-defined D-A or D-π-A conjugated alternating polymers, incorporating dithiafulvalene-based monomers as electron donor unit and 2,1,3-benzothiadiazole-based monomers as electron acceptor unit, were synthesized through Suzuki and Yamamoto coupling polymerizations. This D-A approach and the using DTF for designing the polymers is highly effective for tuning band gap and energy levels by choosing a suitable combination from the vast variety of donor units and acceptor units available. The intra-molecular charge transfer (ICT) between the donor and acceptor units may effectively reduce the band-gap energies of the resulting polymers. The synthesized polymers have glass transition temperatures ranging from 131.7 to 151.3 oC. The onset weight-loss temperatures of the polymers are in the range of 211.3 to 432.2 oC. Substitution with 2,1,3-benzothiadiazole groups produced bathochromic shifts to visible region in the absorption spectra of PFBT, PFTBT, PFDTBT, and PFTDTBT.
We report on the improved power conversion efficiencies (PCEs) approaching 1.78 % for BHJ polymer solar cells based on P3HT/PCBM system by doping 5 wt % of a novel dithiafulvalene-based D-A oligomer, PTBT. Open-circuit voltage (Voc), short-circuit current (Jsc), and fill factor (FF) are 0.57 V, 6.08 mA/cm2, and 51.3 %, respectively. Different weight ratios of doping PTBT in P3HT/PCBM system are applied and the performances of the resulting solar cells are compared. Introducing 2 wt % PTBT causes a significant increase of the charge-carrier mobility from 2.01 × 10-4 to 4.59 × 10-4 cm2 V-1 S-1. The higher solar cell performances are attributed to the improved miscibility and the better mobility of the charge carriers of the dithiafulvalene with P3HT/PCBM, leading to a significant enhancement of PCE and an effective charge-transporting phase.
目錄
摘要 I
Abstract III
致謝 V
目錄 VI
表目錄 X
流程目錄 XI
圖目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 太陽能電池簡介 1
1-3 太陽能電池種類概敘 2
1-3-1 單結晶矽、非結晶矽、多結晶矽太陽能電池 3
1-3-2薄膜太陽能電池[6] 4
1-3-3 有機太陽能電池 4
1-4 太陽光譜介紹 5
1-5 研究動機與目的 6
第二章 原理與文獻回顧 8
2-1共軛高分子簡介 8
2-2 能帶理論簡介 9
2-3 低能隙高分子 11
2-3-1 設計原則 11
2-3-2 Donor-acceptor共軛高分子系統 11
2-4 四硫富瓦烯衍生物簡介 15
2-5 螢光能量轉移 19
2-6 有機高分子太陽能電池 21
2-6-1 操作原理[44] 21
2-6-2 元件設計 22
2-7 元件效率與I-V曲線定義 24
2-7-1 開路電壓(Open circuit voltage, Voc) 25
2-7-2 短路電流(Short circuit current) 26
2-7-3 填充因子 (FF, fill factor) 27
2-7-4 能量轉換效率η (Power Conversion Efficiency) 28
2-7-5外部量子效率(External quantum efficiency, EQE) 28
第三章 實驗內容 30
3-1 實驗儀器與裝置 30
3-2 鑑定儀器 30
3-3 物性測量儀器 32
3-4 實驗藥品與材料 35
3-5 合成步驟 36
3-5-1 單體合成 37
3-5-2 高分子聚合 40
3-6 合成反應機制 44
3-6-1 Stille reaction 44
3-6-2 Suzuki reaction 45
3-7 循環伏安法 46
3-8 場效應 48
3-9 高分子太陽能電池元件製備 49
3-9-1 ITO玻璃蝕刻與清洗 49
3-9-2 主動層塗佈 50
3-9-3 陰極蒸鍍 50
3-9-4 元件測量 50
第四章 結果與討論 52
4-1 結構之鑑定 52
4-1-1 單體結構鑑定 52
4-2 高分子結構鑑定 54
4-3 高分子分子量測量 55
4-4 熱性質分析 56
4-5 高分子光學性質分析 57
4-5-1 高分子在溶液態中的光學性質 58
4-5-2 高分子在薄膜態中的光學性質 58
4-6 高分子電化學性質分析 60
4-6-1 高分子電化學性質 60
4-6-2 P3HT與高分子能階 61
4-6-3 P3HT及PTBT光吸收探討 62
4-7 太陽能元件性質 62
4-8太陽能電池元件形態(Morphology)研究 65
第五章 結論 93
參考文獻 95
自述 99
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