光電高分子材料

光電高分子材料第一頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日光電高分子材料

物理化學(xué)功能材料：電學(xué)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(xué)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、熱電性高分子等第二頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日信息科學(xué)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)化高分子材料第三頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日全塑光纜——高分子光傳輸材料1970年美國(guó)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(xiàng)新技術(shù)的結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)了光信息傳輸?shù)男聲r(shí)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(diǎn)。第四頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日硅的終結(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(dòng)，要達(dá)到此目的的第一個(gè)條件就是這個(gè)聚合物應(yīng)該具有交錯(cuò)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(guò)參雜后提高導(dǎo)電率類似。

第五頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日光敏高分子材料光敏高分子化學(xué)是高分子化學(xué)與光化學(xué)兩個(gè)極為重要的學(xué)科交叉的產(chǎn)物。光化學(xué)是指在光作用下發(fā)生的化學(xué)變化。光化學(xué)反應(yīng)的重要特點(diǎn)在于它的選擇性，反應(yīng)物分子只有吸收特定的波長(zhǎng)的光才能發(fā)生反應(yīng)。一般化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物要通過(guò)一個(gè)能量較高的過(guò)渡狀態(tài)再生成產(chǎn)物（如爬山），與此不同，光化學(xué)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(xué)關(guān)系較為密切的是紫外光，因?yàn)殛?yáng)光中紫外線的含量較少。第六頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日光電轉(zhuǎn)化高分子材料

——聚合物太陽(yáng)能電池第七頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日內(nèi)容研究背景太陽(yáng)能電池相關(guān)原理設(shè)想第八頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日研究背景能源問(wèn)題是人類面臨的最現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。它不僅僅表現(xiàn)在常規(guī)能源的不足，更重要的是化石能源的開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的諸多環(huán)境問(wèn)題。目前全球熱點(diǎn)問(wèn)題是如何迎接在能源短缺和環(huán)境保護(hù)雙重制約條件下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能是可再生能源，是真正意義上的環(huán)保潔凈能源，其開(kāi)發(fā)利用必將得到長(zhǎng)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(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用必將得到長(zhǎng)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。第九頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日太陽(yáng)能電池分類傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池：晶體硅太陽(yáng)能電池非晶硅太陽(yáng)能電池化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池有機(jī)\聚合物太陽(yáng)能電池第十頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日光電轉(zhuǎn)換材料是一種能將光通過(guò)一定的物理或化學(xué)方法變成電能的功能材料，是材料科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。光電轉(zhuǎn)換材料最重要的用途是制作太陽(yáng)能電池。

硅太陽(yáng)能電池

成本昂貴、工藝復(fù)雜、材料要求苛刻。

有機(jī)光電池

潛在的低成本、輕重量和分子水平的可設(shè)計(jì)性。光電轉(zhuǎn)換材料第十一頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池

聚合物太陽(yáng)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(fù)極之間所組成，具有結(jié)構(gòu)和制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、重量輕、可制備成柔性的器件等突出優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)規(guī)整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM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(dá)到3.5～4.0%左右，使這一體系成為聚合物太陽(yáng)能電池研究的標(biāo)準(zhǔn)體系。但P3HT/PCBM體系也存在電子能級(jí)匹配性不好（P3HT的HOMO能級(jí)太高或者說(shuō)PCBM的LUMO能級(jí)太低）的問(wèn)題，這導(dǎo)致了器件的開(kāi)路電壓較低，只有0.6V左右，這限制了其能量轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。

第十二頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日到目前為止，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(dāng)今研究較多，應(yīng)用開(kāi)發(fā)較好的一類光電材料。第十三頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日光電響應(yīng)原理在聚合物太陽(yáng)能電池中光電響應(yīng)過(guò)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(dòng)的電子和空穴,而產(chǎn)生具有正負(fù)偶極的激子(exciton).只有當(dāng)這些激子被解離成可自由移動(dòng)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(guò)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(méi)有外加電場(chǎng)的情況下,如何使光敏層產(chǎn)生的激子分離成自由載流子便成為聚合物太陽(yáng)能電池正常工作的前提條件。第十四頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日離子分離電子給體/受體方式是實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(jī)受體C60及其衍生物,納米ZnO,CdSe等無(wú)機(jī)受體材料以及含有氰基等吸電子基團(tuán)的共軛聚合物受體材料.為了使激子過(guò)程得以順利進(jìn)行,要求所選用電子給體的最低空軌道(LUMO)能級(jí)比電子受體的LUMO能級(jí)稍高,這樣在能量的驅(qū)動(dòng)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(jí)比A相的LUMO能級(jí)高0.3~0.4eV時(shí)就能使激子有效地分離成自由載流子。第十五頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日設(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(duì)于太陽(yáng)光長(zhǎng)波段的吸收，同時(shí)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(dá)10-2cm2v-1s-1，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)后期處理(如退火和電場(chǎng)處理)可以更好地改善器件性能第十六頁(yè)，共十八頁(yè)，2022年，8月28日

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(shí)具備C60類的優(yōu)點(diǎn)(如有好的電子親和勢(shì)，透明性好和良好的電子傳輸性能)；但是由于C60對(duì)稱性很高，使得[C60]PCBM最低能