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聚合物/碳纳米管复合材料的制备及其光伏性能的研究

聚合物/碳纳米管复合材料的制备及其光伏性能的研究

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作者：侯业智武汉工程大学

学位级别：硕士

有机太阳能电池(OPV)有着制备灵活简单、成本低、轻薄以及可大面积制成柔性器件等优点,已经成为光伏产业中最具潜力的研究前沿之一。然而,有机太阳能电池存在材料载流子迁移率低、稳定性差及能量转化效率低等问题,限制了其大规模商业化... 详细信息

有机太阳能电池(OPV)有着制备灵活简单、成本低、轻薄以及可大面积制成柔性器件等优点,已经成为光伏产业中最具潜力的研究前沿之一。然而,有机太阳能电池存在材料载流子迁移率低、稳定性差及能量转化效率低等问题,限制了其大规模商业化的应用。碳纳米管(CNTs)具有独特的分子结构及优异的光、电特性,研究发现将碳纳米管及其复合材料应用在光伏器件中,可有效的提高载流子迁移率,且微量的碳纳米管掺杂就能极大改善光伏器件的性能,提高其能量转化效率(PCE)。对此,本课题首先合成了一系列具有醇溶性的聚合物或大分子等,然后采用非共价修饰法,将聚合物或大分子包覆于碳纳米管表面,制备了分散性良好并能长期稳定存在的醇溶性的碳纳米管复合物,最后对碳纳米管复合材料的性能及其应用进行了研究。第二章,我们通过铃木缩聚反应合成了一种新型双芘-胺基咔唑:3,6-双(1′-芘基)-9-(N,N-二甲基胺丙基)咔唑(DPNN)。本文以分子识别方法,通过DPNN分子镊非共价修饰单壁碳纳米管(SWNTs),得到了醇溶性DPNN/SWNTs复合材料,并将其作为电子传输层应用于聚合物太阳能电池(PSCs)中。研究结果显示:DPNN/SWNTs与ZnO双层结构在聚合物太阳能电池中是一种更优异的电子传输体,其与未改性的SWNTs相比,PCE提高了近53%。我们通过吸收光谱发现,传输层DPNN/SWNTs/ZnO与活性层P3HT:PCBM吸收光谱匹配较好。通过原子力显微镜(AFM)对其表面形态进行了测试,DPNN改性的SWNTs使其表面更加粗糙,这可有效增加传输层与活性层间的界面接触面积,使电子迅速从活性层传输到电极,并被电极有效的收集,降低串联电阻(Rs)值。第三章,我们通过铃木缩聚反应合成了醇溶性聚[9,9-二(3’-(N,N-二甲胺基)丙基)-2,7-芴]-交-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)。采用非共价修饰法将其包覆在SWNTs的表面,得到了分散均匀并能稳定保存的PFN/SWNTs复合材料。通过TEM对复合材料的形貌进行了研究,发现SWNTs多以单根形式均匀分散在聚合物表面。从PFN复合前后吸收光谱变化可以看出聚合物与碳纳米管表明有较强的分子作用,形成较稳定的复合物。复合物PFN/SWNTs的荧光有所减弱,说明PFN与SWNTs之间可能存在电荷转移。将其作为传输层应用于光伏器件中,极大提高了器件的光学、电学性能等。第四章,本章制备了具有导电性能的水/醇溶聚乙烯亚胺/多壁碳纳米管(PEIE/MWNTs)复合材料,将其作为界面修饰层应用在钙钛矿太阳能电池中,各项性能都表现优异。最后我们对PEIE及MWNTs的最佳含量进行了研究,结果发现:当PEIE及MWNTs含量都为0.1 wt.%左右时,PEIE/MWNTs较PEIE界面修饰层的光伏性能都有显著的改善,其效率高达15%左右,提高了近21%,其中开路电压接近1.0 V,短路电流超过20 mVcm,填充因子超过70%。

关键词：碳纳米管胺基聚合物非共价修饰法复合材料光伏性能

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