光電高分子材料

1、光電高分子材料第1頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一光電高分子材料 物理化學功能材料：電學功能材料，如導(dǎo)電性高分子、超導(dǎo)性高分子、感電性高分子等光學功能材料，如感光性高分子、導(dǎo)光性高分子、光敏性高分子等能量轉(zhuǎn)換功能材料，如壓電性高分子、熱電性高分子等第2頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一信息科學中的高分子材料導(dǎo)電高分子材料光敏高分子材料高分子光傳輸材料光電轉(zhuǎn)化高分子材料第3頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一全塑光纜高分子光傳輸材料1970年美國康寧公司研制出石英玻璃光導(dǎo)纖維，同年貝爾又試制成半導(dǎo)體激光器，這兩項新技術(shù)的結(jié)合，開創(chuàng)

2、了光信息傳輸?shù)男聲r代。玻璃光纖具有傳輸帶寬大、損耗低、抗電磁干擾、節(jié)約能源的優(yōu)點。第4頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一硅的終結(jié)者：導(dǎo)電高分子材料什么是導(dǎo)電高分子？要使高分子材料導(dǎo)電就必須能模擬金屬的行為，亦即電子必須能不受原子的束縛而能自由移動，要達到此目的的第一個條件就是這個聚合物應(yīng)該具有交錯的單鍵與雙鍵，亦稱為“共軛”雙鍵。為了使共軛高分子導(dǎo)電，必須要做參雜。這和半導(dǎo)體經(jīng)過參雜后提高導(dǎo)電率類似。 第5頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一光敏高分子材料光敏高分子化學是高分子化學與光化學兩個極為重要的學科交叉的產(chǎn)物。光化學是指在光作用下發(fā)生的化學變化

3、。光化學反應(yīng)的重要特點在于它的選擇性，反應(yīng)物分子只有吸收特定的波長的光才能發(fā)生反應(yīng)。一般化學反應(yīng)的反應(yīng)物要通過一個能量較高的過渡狀態(tài)再生成產(chǎn)物（如爬山），與此不同，光化學反應(yīng)的反應(yīng)物好像是處于顛峰上的物質(zhì)，它的反應(yīng)意味著選擇下山的路線。與光化學關(guān)系較為密切的是紫外光，因為陽光中紫外線的含量較少。第6頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一光電轉(zhuǎn)化高分子材料聚合物太陽能電池第7頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一內(nèi)容研究背景太陽能電池相關(guān)原理設(shè)想第8頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一研究背景能源問題是人類面臨的最現(xiàn)實問題。它不僅僅表現(xiàn)在常

4、規(guī)能源的不足，更重要的是化石能源的開發(fā)利用帶來的諸多環(huán)境問題。目前全球熱點問題是如何迎接在能源短缺和環(huán)境保護雙重制約條件下實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。太陽能是可再生能源，是真正意義上的環(huán)保潔凈能源，其開發(fā)利用必將得到長足的發(fā)展，并終將成為世界能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)能源。太陽能的開發(fā)利用必將得到長足的發(fā)展，并終將成為世界能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)能源。第9頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一太陽能電池分類傳統(tǒng)太陽能電池：晶體硅太陽能電池非晶硅太陽能電池化合物半導(dǎo)體太陽能電池納米晶化學太陽能電池有機聚合物太陽能電池第10頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一 光電轉(zhuǎn)換

5、材料是一種能將光通過一定的物理或化學方法變成電能的功能材料，是材料科學研究領(lǐng)域的一個熱點。 光電轉(zhuǎn)換材料最重要的用途是制作太陽能電池。 硅太陽能電池 成本昂貴、工藝復(fù)雜、材料要求苛刻。 有機光電池 潛在的低成本、輕重量和分子水平的可設(shè)計性。光電轉(zhuǎn)換材料第11頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一有機/聚合物太陽能電池聚合物太陽能電池一般由共軛聚合物給體和富勒烯衍生物受體的共混膜夾在ITO透明正極和金屬負極之間所組成，具有結(jié)構(gòu)和制備過程簡單、成本低、重量輕、可制備成柔性的器件等突出優(yōu)點。近年來成為國內(nèi)外研究熱點。結(jié)構(gòu)規(guī)整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCB

6、M是最具代表性的給體和受體光伏材料?；赑3HT/PCBM的光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定達到3.54.0%左右，使這一體系成為聚合物太陽能電池研究的標準體系。但P3HT/PCBM體系也存在電子能級匹配性不好（P3HT的HOMO能級太高或者說PCBM的LUMO能級太低）的問題，這導(dǎo)致了器件的開路電壓較低，只有0.6 V左右，這限制了其能量轉(zhuǎn)換效率的進一步提高。 第12頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一到目前為止，研究的光導(dǎo)電性高分子有下面幾類：(1)鏈中含有共軛鍵的聚合物，如聚乙炔、聚席夫堿、聚多烯、聚硅烷等；(2)側(cè)鏈或主鏈中含有稠合芳烴基的聚合物；(3)側(cè)鏈或主鏈具有雜環(huán)的

7、聚合物，如聚乙烯咔唑及其衍生物；(4)一些生物高分子及其類似物。其中，聚乙烯咔唑及衍生物是當今研究較多，應(yīng)用開發(fā)較好的一類光電材料。 第13頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一光電響應(yīng)原理在聚合物太陽能電池中光電響應(yīng)過程是在光敏層中產(chǎn)生的. 共軛聚合物吸收光子以后并不直接產(chǎn)生可自由移動的電子和空穴, 而產(chǎn)生具有正負偶極的激子(exciton). 只有當這些激子被解離成可自由移動的載流子, 并被相應(yīng)的電極收集以后才能產(chǎn)生光伏效應(yīng). 否則, 由于激子所具有的高度可逆性, 它們可通過發(fā)光、弛豫等方式重新回到基態(tài), 不產(chǎn)生光伏效應(yīng)的電能. 在沒有外加電場的情況下, 如何使光敏層產(chǎn)生

8、的激子分離成自由載流子便成為聚合物太陽能電池正常工作的前提條件。第14頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一離子分離電子給體/ 受體方式是實現(xiàn)有機光伏電池中激子分離的有效途徑. 因此, 光敏層至少要使用兩種功能材料( 或組分), 即電子給體(donor 或D)與電子受體(acceptor 或A)組成. 目前D 相材料主要使用共軛聚合物, 如PPV, 聚噻吩和聚芴的衍生物, 但它們的能帶間隙較高. 最近發(fā)展了低能帶間隙的電子給體材料如噻吩、芴、吡嗪等的共聚物; 而常用的A 相材料主要是有機受體C60及其衍生物, 納米ZnO, CdSe 等無機受體材料以及含有氰基等吸電子基團的共

9、軛聚合物受體材料. 為了使激子過程得以順利進行, 要求所選用電子給體的最低空軌道(LUMO) 能級比電子受體的LUMO能級稍高, 這樣在能量的驅(qū)動之下, 電子由D 相的LUMO 轉(zhuǎn)移到A 相的LUMO上. 一般情況下, D 相的LUMO能級比A 相的LUMO能級高0.30.4 eV 時就能使激子有效地分離成自由載流子。第15頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一設(shè)想高分子光電轉(zhuǎn)換材料倍受關(guān)注的高分子材料為P3HT，PCBMP型半導(dǎo)體材料P3HT，是一種好的電子施主材料，與之前用的PPV類材料相比，P3HT具有更低的能隙以利于對于太陽光長波段的吸收，同時P3HT具有好的分子間序和更好的載流子遷移能力，尤其是空穴傳輸率可達10-2cm2v-1s-1，通過研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過后期處理(如退火和電場處理)可以更好地改善器件性能第16頁，共18頁，2022年，5月20日，4點30分，星期一 PCBM是一種電子受主材料，是C60的一種衍生物，與C60相比PCBM的溶解性更好，同時具備C60類的優(yōu)點(如有好的電子親和勢，透明性好和良好的電子傳輸性能)；但是由于C60對稱性很高，使得C60PCBM最低能量轉(zhuǎn)換在形式上表現(xiàn)