用於高分子/二氧化鈦混成太陽能電池之新穎高分子的合成與物理性質

Synthesis and Physical Properties of Novel Polymers for Polymer-TiO2 Hybrid Solar Cells

顏唯哲(Wei-Che Yen)

指導教授 ： 林唯芳

國立臺灣大學/工學院/高分子科學與工程學研究所/博士(2010年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2010.10602

摘要

此研究主要目的為發展出用於高分子/奈米粒子太陽電池之導電高分子材料。這些材料依照其功能分成兩類：(a)構型的控制與(b)用於太陽能電池之新穎材料。
(a)構型的控制：
主要希望得到聚己烷噻吩-聚二吡啶乙烯嵌段式共聚物[Poly (3-hexylthiophe- ne)-b-Poly (2-vinylpyridine)]與二氧化鈦(TiO2)奈米粒子之高規則排列以提升太陽能電池之效率。另外，我們也合成了具有羧酸與胺類末端官能基之3HT寡聚物作為TiO2奈米粒子與硫化鉍奈米粒子之表面活性劑來增加太陽能電池的效率。我們用P3HT起始劑，陰離子聚合合成出具有不同組成的P3HT-b-P2VPs。其結構分別用電子顯微鏡(TEM)與小角X光繞射(SAXS)鑑定。隨著P3HT組成增加，其結構分別呈現出球狀、柱狀、層狀與條狀型態，其基本的相圖也藉由規則-非規則結構之轉移溫度(ordered-disordered transition temperature)定義出來。
我們研討不同nicotinic acid改質TiO2奈米粒子之濃度對於P3HT和P3HT-b-P2VP混摻複合材料在光學與型態上的影響。在P3HT-b-P2VP中。TiO2可選擇性地落於P2VP相中，不同結構的P3HT-b-P2VPs(球狀、柱狀、層狀)均顯示同樣的趨勢。然而純的P3HT混摻系統中則顯示出大範圍的聚集現象，其聚集區塊大小高達幾個微米等級(micrometer)。在低濃度之TiO2時，P3HT-b-P2VP可維持原有的奈米結構，反之在高濃度時，其規則結構會被破壞掉。在光學性質中，相對於純的P3HT混摻系統，P3HT-b-P2VP混摻系統展現較好的螢光削減效應(PL quenching)，代表有良好的電荷分離。由TEM也觀察出P3HT-b-P2VP混摻系統有具有良好的分布型態(morphology)與分離的連續相可提供電荷傳導，由此可知P3HT-b-P2VP混摻系統具有可以提升太陽能電池效率的條件。材料的調配仍在進行中，希望可以找到最佳化的製備條件以達到良好的效率。
(b) 用於太陽能電池之新穎材料：
我們主要合成與鑑定合適的于體/受體交替共聚物(D-A alternating copolymer)以用於太陽能電池。首先，我們利用Suzuki coupling合成了一系列以茚芴(indenofluorene)為主的共聚物。茚芴具有共平面性的結構與良好的電荷傳導性質，其中與拉電子基團搭配所得之共聚物(在3.2.2標示為P3與P4)本身就有很好的螢光削減效應，也具有比較長波長的吸收，故有作為太陽能電池的潛力。
一系列含有不同芴(fluorene)與環戊噻吩(cyclopentaditiophene)組成之共聚物已利用Stille 偶合方法合成出來。跟純聚環戊噻吩之吸收光譜相比時，含有芴高分子之吸收光譜會有藍移現象。此外，此藍移現象會隨著芴在高分子中的濃度增加而增強。高分子的能隙可以分別調至1.72 eV與1.82 eV當在高分子分別加入25莫爾百分比與50莫爾百分比的芴時。同時，高分子的最高佔據軌域(HOMO)也如我們預期可隨著加入芴而明顯有降低現象以便可以增加太陽能電池之開路電壓值(Voc)。模擬的結果與實際實驗數據在光譜性質與電化學性質上有一致性的趨勢。藉由此簡單地改變高分子中的芴與環戊噻吩之組成，我們可以輕易的調整高分子之最高佔據軌域與能隙以便來提升太陽能電池效率。
另外，在TiO2太陽能電池中，我們探討了不同TiO2界面活性劑之改質對於元件效率的影響，使用的改質劑(modifier)分別有吡啶(pyridine)、Cu dye與具羧酸末端官能基之3HT(oligo-3HT-COOH)。其中，oligo-3HT-COOH改質TiO2的系統展現出最好的螢光削減效應與電池效率。另外，不同分子量的P3HT與oligo-3HT-COOH搭配對元件效率的影響在此也被探討。其中，最高效率為使用分子量30K P3HT之系統，此系統有較好的分布型態與電荷傳導平衡(balance of mobility)，其元件效率數值分別為0.53 V(Voc)、4.79 mA/cm2(Jsc)、0.52(FF)與1.32%(PCE)。

關鍵字

噻吩 ； 二氧化鈦 ； 型態 ； 太陽能電池 ； 芴 ； 能階結構

並列摘要

無資料

並列關鍵字

thiophene ； fluorene ； indenofluorene ； conjugated polymers ； TiO2 ； solar cell

參考文獻

119. 二氧化鈦奈米晶體之表面改質應用於有機無機混摻太陽能電池之硏究 = Study of surface modification of TiO2 nanorod in organic/inorganic hybrid solar cells / 徐瑞鴻(Jui-Hung Hsu*)撰。

120. 高分子/奈米粒子之混摻太陽能電池硏究 = Research on polymer-nanoparticle solar cells / 廖佑加(Yu-Chia Liao*)撰。

1. Alivisatos*, A. P. et al. “CdSe Nanocrystal Rods/Poly(3-hexylthiophene) Composite Photovoltaic Devices” Adv. Mater. 1999, 11, 923.

2. Alivisatos*, A. P. et al. “Hybrid Nanorod-Polymer Solar Cells” Science 2002, 295, 2425.

3. Andersson*, M. R. et al. ”Design, Synthesis and Properties of Low Band Gap Polyfluorenes for Photovoltaic Devices” Synth. Met. 2005, 154, 53.