聚对苯乙炔衍生物及其复合材料的合成、表征和光电性能研究
  • 【摘要】

    聚对苯乙炔(PPVs)及其衍生物是共轭聚合物材料中应用最为广泛的一类,目前已经广泛应用于有机电致发光器件、有机太阳能电池、有机场效应晶体管和化学与生物传感等领域.由于大多数PPVs及其衍生物属于空穴传输材料,电子迁移率较低,这就导致了电子和空穴传输的不平衡,从而影响光电器件的效率,使其应用在一定程度上受到影响.共轭聚合物-无机半导体纳米复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应等效应,而且将... 展开>>聚对苯乙炔(PPVs)及其衍生物是共轭聚合物材料中应用最为广泛的一类,目前已经广泛应用于有机电致发光器件、有机太阳能电池、有机场效应晶体管和化学与生物传感等领域.由于大多数PPVs及其衍生物属于空穴传输材料,电子迁移率较低,这就导致了电子和空穴传输的不平衡,从而影响光电器件的效率,使其应用在一定程度上受到影响.共轭聚合物-无机半导体纳米复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应等效应,而且将无机半导体纳米材料的刚性、热稳定性和光电特性与共轭聚合物的柔性、易加工性揉合在一起,从而为共轭聚合物在光电领域的研究和应用揭来了新的一页.另外,由于大多数无机半导体材料具有优良的电子传输能力,它们的加入不仅可以提高复合材料的载流了迁移率,而且弥散的两相界面提供有效的光诱导电荷转移发生,这些现象使得这类复合材料在聚合物光伏电池的研究中具有潜在的应用前景.本文在综述了当前国内外共轭聚合物-无机半导体纳米复合材料在太阳能电池应用的最新研究进展的基础上,从聚合物能带隙工程的原理出发,通过化学的方法,合理的设计和选择复合体系,合成了一系列可溶性的聚(2-甲氧基-5-辛氧基)对苯乙炔(MOPPV)和MOPPV-无机半导体纳米复合材料,详细研究了MOPPV和复合材料的基本光电性质以及复合体系组分间的相互作用的机理,并研究了复合材料做为光活性层的光伏器件的性能,探索提高复合材料光电性能和光伏器件效率的有效途径.主要研究工作包括以下几个方面:采用脱氯化氢反应合成了非对称烷氧基取代的MOPPV,通过1H NMR、FT-IR、Raman、TGA、XRD、XPS、EDX、SEM和TEM等对MOPPV的分子结构、热稳定性能、结晶性能和微观形貌进行表征和分析.结果表明,MOPPV具有很好的成膜性、耐热性和晶化效果.利用UV-Vis、PL、光学禁带宽度的理论计算和循环伏安电化学法对MOPPV的光学性能和能带结构进行了研究,结果显示,MOPPV的光学和电学禁带宽度分别为2.19eV和2.39eV.采用自由基聚合共价修饰碳纳米管的方法和原位聚合的方法,分别制备了一系列的MOPPV-SWNTs和MOPPV-ZnSe纳米复合材料,通过FT-IR、XRD、TGA、XPS、Raman、AFM、SEM和TEM等分别对两种纳米复合材料的分子结构、热稳定性能、结晶性能和微观形貌进行表征和分析.结果表明,两种纳米复合材料都具有良好的成膜性、耐热性和分离界面.利用UV-Vis、稳态PL和瞬态PL分别对两种纳米复合材料的光学吸收和复合体系组分间的相互作用机理进行了研究.结果显示,随着碳管和ZnSe纳米晶含量增加,一方面,复合材料的吸收峰和荧光发射峰的位置逐渐发生蓝移,表明了碳管和ZnSe纳米晶的存在缩短了复合材料中MOPPV链段的有效π共轭长度;另一方面,复合材料的荧光发射峰强度逐渐降低和荧光寿命逐渐减少,表明了光诱导电荷转移分别发生在聚合物/碳管和聚合物/ZnSe纳米晶的界面.将两种复合材料分别应用到聚合物太阳能电池中,结果表明,随着碳管和ZnSe纳米晶含量增加,光伏电池的性能呈上升趋势.表明了纳米相界面和连续相网络提供了有效地激子分离、电荷传输和收集.采用"绿色"有机金属法,制备不同粒径的PbSe纳米晶,通过XRD、XPS、UV-Vis、EDX、SEM和TEM等对PbSe纳米晶的晶体结构、光学性质和微观形貌进行表征及分析.结果表明,PbSe纳米晶为NaCl型结构;不同的反应时间和Pb/Se比例,将出现不同形状的PbSe纳米晶.并且在理论上对PbSe纳米晶的晶体生长机理进行了讨论.利用MOPPV-ZnSe+PbSe复合体系中的各组分分别做为紫外光区、可见光区和红外光区的有效吸收层,制作了双层结构的全光吸收的光伏电池.结果显示,具有PbSe 量子点层的电池的开路电压Voc,短路电流密度Jsc,影响因子FF和能量转化效率分别为0.806V,0.309mA/cm2,0.34 和0.14%.相比较于没有PbSe 量子点层的电池,该电池的能量转换效率增加了近五倍.说明该器件结构对有效提高电池性能具有实用价值. 收起<<

  • 【作者】

    云大钦 

  • 【学科专业】

    物理电子学

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    西安交通大学

  • 【导师姓名】

    吴洪才

  • 【学位年度】

    2009

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    聚(2-甲氧基-5-辛氧基)对苯乙炔%无机半导体纳米材料%纳米复合材料%光诱导电荷转移%本体异质结光伏器件