苯并噻二唑类有机材料在太阳能转换中的应用研究

作     者：郭珊珊 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李战峰

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：太阳能转换 钙钛矿太阳能电池 光催化制氢 苯并噻二唑 有机材料 

摘      要：近年来,由于传统化石燃料引起能源危机和环境问题的加剧,迫切需要开发新型可再生能源,其中太阳能成为最合适的候选者。太阳能光伏与光催化制氢是太阳能利用的两种重要形式,在能源结构调整和生态文明建设方面具有重要意义。钙钛矿太阳能电池是一种很有前途的光伏技术,具有很强的商业竞争力,其中空穴传输材料能有效调节电池界面势垒,促进空穴传输和收集,降低电荷复合,优化钙钛矿层与电极界面,改善钙钛矿光吸收层的性质,在钙钛矿太阳能电池中发挥重要的作用。相对于电能,燃料在经济社会发展中扮演着更加重要的角色,特别是利用半导体光催化技术,将低能量密度的太阳能转换成具有高燃烧热值的绿色氢能是太阳能资源存储与利用的一种重要形式,而要实现太阳能到氢能的高效转换,光催化剂是关键。苯并噻二唑(BT)类有机材料具有优异的吸电子能力、光吸收效率和良好的稳定性,被广泛应用于有机半导体领域。因此,本论文将BT基的聚合物材料和有机小分子材料应用于太阳能转换中,均实现了优异的太阳能转换性能。本论文的主要研究工作如下:(1)将BT基的A–D–A–D(D:给体单元,A:受体单元)型的三元聚合物材料(PTPDTBT和PDPPTBT)作为无掺杂空穴传输材料应用于反式钙钛矿太阳能电池(ITO/HTM/perovskite/PCBM/BCP/Ag)中,并对电池制备的各项参数进行优化,实现了18.17%(PDPPTBT)和16.47%(PTPDTBT)的电池功率转换效率,显著超过了以经典的PEDOT:PSS作为空穴传输材料的同类电池效率(12.60%)。电池性能的改善归功于相匹配的能级,良好的薄膜形貌,较低的载流子复合以及高效的空穴提取能力。本工作为设计高效、稳定的无掺杂聚合物空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池的应用提供了一个潜在的策略。(2)设计并开发了一系列BT类有机小分子材料,该系列材料由相同的给电子单元(TPA)和相同的接受电子单元(BT)构成D–A–D型分子骨架结构,在末端TPA单元上用不同卤素取代基(F或Cl)进行修饰,分别与具有优异光电性能的石墨相氮化碳(g-CN)材料构建了全有机光催化异质结体系。在此,我们证明了通过氯化(TBT-p-Cl,TBT-m-Cl和TBT-o-Cl)和氟化(TBT-p-F)作用可显著提高光催化析氢速率。所得到的全有机光催化剂的析氢速率在1.21–7.72 mmol h g之间,其中g-CN/TBT-o-Cl的析氢速率为7.72 mmol h g,约为纯g-CN的析氢速率的9倍,同时,在420 nm时的表观量子效率为5.5%。光催化活性的提高归因于分子间π-π相互作用和氢键相互作用促进了光生电荷的有效分离。本工作为实现高效全有机异质结光催化制氢提供了新思路。