新穎共平面共軛高分子之合成、分析及太陽能電池之應用

Synthesis, Characterization, and Photovoltaic Application of Thiophene-Phenylene-Thiophene (TPT) Based Copolymers

詹淑華(Shu-Hua Chan)

指導教授 ： 陳信龍

國立清華大學/工學院/化學工程學系/博士(2010年)

摘要

近年來，隨著能源短缺與環境污染等問題的日益嚴重，且在全球能源需求日漸增加的趨勢下，使得潔淨能源備受青睞，由於太陽光取之不盡、用之不竭、且發電設備不受土地環評限制之特性，相對其他可再利用能源更是未來替代能源的首選。其中以高分子太陽光電元件具有輕、薄、耐摔、可撓等優點已成為近年來研究的焦點。目前高效率的高分子太陽能電池元件均使用bulk heterojunction (BHJ)構造，其由p-型的施體(共軛高分子)及n-型的受體(fullerene衍生物)混摻而成，進而創造出最大接觸面積使激子分解。故理想有機太陽能電池材料，需有高吸光係數、高載子移動速率的共軛高分子，增加太陽光線吸收效率，並提供優良的電洞傳輸效率；另外材料間(donor與acceptor)需分散均勻，同時具備各自通道，以利於電荷傳輸。主動層材料是高分子太陽能電池的主要組成部分之一，其中以共軛高分子材料的結構和性能改進是高分子太陽能電池研究的一個重點。

因此本論文的研究目的在於設計及合成一系列新穎p-型共軛高分子，以達到高效率的BHJ太陽能電池。我們設計共軛高分子電子施體單體是具有高度共平面的分子骨架，藉由Stille coupling polymerization，製備六種以thiophene-phenylene-thiophene(TPT)為主體的新穎共軛高分子。用來評估這些p-型的材料所使用的有機太陽能電池元件結構為：ITO/PEDOT:PSS/Polymer:PCBM/Ca/Al。本論文主要分為三部分：第一部分首先合成代號為P1~P4之交替式共聚合物，TPT單體為茚噻吩(4H-indeno[1,2-b]thiophene) 結構是一個高度共平面性的單體，具有良好載子傳輸性的特質，與噻吩衍生物單體合成交替式共軛高分子，主要是調控p-type (Donor)的HOMO能階以提高元件的開路電壓(Voc)，其中以 P3所製作元件效率最佳效率為 3.3% (Voc=0.80V, Jsc = 7.6 mA/cm2, FF = 0.54)。第二部分合成代號為P5和P6之高分子，由TPT單體、噻吩衍生物單體和4,7-Dibromo-2,1,3-benzothiadiazole (BT)單體所合成 random copolymer，屬於low band gap polymer，主要是改善P3材料的吸收度、吸收範圍、bandgap及HOMO / LUMO能階，提升元件的光電流(Jsc)，其中以 P6所製作元件效率較佳，可達 4.4 % (Voc=0.81V, Jsc = 10.2 mA/cm2, FF = 0.53)。第三部分是針對P6/PC71BM元件，改變元件製作參數，調控主動層的的微觀結構形成互穿網路，擴大Donor和Acceptor的接觸面積，同時使二者具有各自連續相結構，有助於電荷傳輸，其最高效率為5.8 % (Voc=0.85V, Jsc = 10.7mA/cm2, FF = 0.64)。本研究另一重要結果是使用便宜的碳材(C70)取代PC71BM，以P6/C70作為主動層的材料，其元件效率可達4.2%(Voc=0.70V, Jsc = 11.1 mA/cm2, FF = 0.54)。

關鍵字

聚合物太陽能電池 ； 共平面共軛高分子

並列摘要

無資料

並列關鍵字

Polymer solar cell

參考文獻

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