低能隙高分子合成及其在有機太陽能電池之應用

Abstract

低能隙高分子合成及其在有機太陽電池之應用

學生：陳秋翔 指導教授：許千樹 博士

國立交通大學 應用化學系研究所 碩士班 摘要 有機太陽能電池因為其價格低廉、輕薄、可曲撓性及製作簡易等優點而受到關注。直到現在，大部分高效率的有機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。本研究目的在於設計及合成一系列新的p-型共軛高分子，以達到高效率的BHJ太陽能電池。 我們製備出四個結構新穎的高分子聚合物，分別為：(1) 以陰離子聚合而得到的BTDSPS；(2) 以超枝化聚合法得到的hb-PHBT；(3) 以Sonogashira coupling聚合而成的PBT-co-FO1及PBT-co-FO2。不幸的是，這些聚合物對於一般有機溶劑的溶解度都很差，導致在製作元件時受到限制。 另一方面，我們結合施體與受體合成出一系列的高分子共聚物(Copolymer 1-4)。電子施體是以cyclopentadienebithiophene (CDT)結構設計為主，而電子受體是以thieno[3,4-b]-pyrazine (TP)、quinoxaline (QU)、2,1,3-benzothiadiazole (BT)和di-thiophene quinoxaline (DTQU)為主設計。藉由微波反應器輔助的Stille鈀金屬催化反應，我們成功得到高分子量(Mn = 18700 ~ 35500)的共軛高分子。Copolymer 1的吸收範圍從400到1000 nm，其能隙為1.21 eV；Copolymer 2 ~ Copolymer 4的UV吸收範圍從400到750 nm，能隙約為1.61-1.82 eV。如我們預期，高分子鏈上電子施體及電子受體間強大的分子內電荷轉移使其光學的能隙往低能量區轉移，同時也補獲較多從可見光區到近紅外光區的太陽能。在主鏈上芳香環導入含有枝鏈的乙基己烷鏈，可以使高分子具有極佳的溶解度，也有利於元件的製程。 所使用來評估這些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(1:1 wt%)/Ca/Al。這些高分子材料的元件初步結果如下：Copolymer 1 (Voc= 0.46, Jsc = 0.54 mA/cm2, FF = 36 %, PCE = 0.09 %); Copolymer 2 (Voc = 0.623, Jsc = 1.4 mA/cm2, FF = 33 %, PCE = 0.28 %); Copolymer 3 (Voc = 0.632, Jsc = 2.1 mA/cm2, FF= 41 %, PCE = 0.55 %).

因為元件的整體表現可能會因製作條件的不同而有所影響，較進一步的最佳化影響及形態學的觀察、混摻的比例及退火的條件現在都已在進行中。