功能化共轭聚合物表面修饰ZnO纳米粒子制备杂化太阳能电池

摘要

目前,已经商业化的主要是硅和无机半导体化合物为光敏材料,由于其生产工艺复杂、成本高以及吸收系数低等限制了其进一步的推广与应用。因此,有机聚合物太阳能电池因其分子结构可以自行设计合成、材料选择余地大、易加工、成本低、质量轻等特点,成为人们研究开发的热点。但纯有机聚合物太阳能电池的光电转换效率是极低的,1992年Heeger等首次发现共轭聚合物与C60之间存在光诱导超快电荷转移现象,同时有机聚合物太阳能电池的效率得到很大的提高。由于共轭聚合物/半导体纳米粒子杂化太阳电池同时具备两种材料的优势,这使之成为一种新的研究方向。
　　 本文首先通过Suzuki-Miyaura反应制备了末端苄基二正辛基氧化膦功能化的聚(3-己基噻吩)(P3HT-DOPO),利用其对ZnO纳米粒子进行表面功能化修饰,并以功能化ZnO纳米粒子(P3HT-DOPO@bZaaO)作为活性层,组装了杂化本体异质结太阳能电池。研究结果表明,与P3HT和ZnO纳米粒子的物理共混物相比,所制备的P3HT-DOPO@ZnO纳米复合材料具备更好的、固定的异质结界面,提高了ZnO纳米粒子在P3HT基体中的分散性,促进了两组分间的电子相互作用,从而观察到更明显的光诱导电荷的转移。在100mW/cm2光强的AM1.5G光模拟器光照下,组装的P3HT-DOPO@ZnO杂化光伏器件的性能提高到0.077％,其中短路电流1.05mA/cm2,开路电压为0.34V和影响因子为0.22。
　　 随后,本文合成了侧链巯基功能化的聚噻吩——2,5-聚(3-己巯基噻吩)(P3HT-SH),用于ZnO纳米粒子的表面功能化处理,并将P3HT-SH功能化处理的ZnO纳米粒子(P3HT-SH@ZnO)与P3HT共混,作为活性层组装杂化本体异质结太阳能电池。研究表明,将P3HT-SH分子接枝到ZnO纳米粒子的表面,可以扩大纳米复合物的吸收光谱,同时还导致更有效的电子注入到ZnO纳米粒子。透射电子显微镜分析表明,与简单物理共混的P3HT/ZnO共混体系相比较,P3HT/P3HT-SH@ZnO共混体系中,经表面功能化改性的ZnO纳米粒子能够更均匀地分散在P3HT基质中,且形成了良好的异质结界面,促进了两组分间的电子相互作用,发生了更有效的光诱导电荷转移,器件性能得到提高。此外,与没有退火前的样品相比,经退火处理后的P3HT/P3HT-SH@ZnO杂化光伏器件效率有了较大的提高,在100mW/cm2光强下的AM1.5G光模拟器光照下,器件效率达到0.7%,短路电流为1.89mm/cm2,开路电压为0.599V和填充因子为0.60。
　　 本文主要致力于末端功能化的聚噻吩(P3HT)表面修饰纳米粒子的研究,研究发现,表面功能化基团的引入可以改善无机纳米粒子与共轭聚合物的相容性,能够形成好的固定的异质结界面,从而提高杂化本体异质结太阳能电池的光电转化效率。