基于水溶性聚噻吩衍生物和石墨烯的绿色太阳能电池

石墨烯是2004年发现的一种新型超薄材料。它是一种由碳原子密堆形成、具有单原子层厚度的二维蜂窝状晶体。由于众多奇异的特性而引起大家广泛的研究兴趣。其中，石墨烯由于具有较高的电子迁移率、强稳定性、大比表面积、源材料价格低廉等优点而成为一种非常有潜力的有机太阳能电池材料。另一方面，目前的有机聚合物太阳能电池大部分以有机溶剂制备，这在一定程度上增加了电池成本，带来了一定的污染问题。本课题拟设计制备带有羧基或磺酸基的水溶性聚噻吩衍生物，以其为分散剂，通过非共价键功能化分散/还原法制备在水中能够稳定分散的石墨烯。以水溶性聚噻吩衍生物为给体，石墨烯为受体制备光敏薄膜，研究水溶性聚噻吩衍生物的分子结构、石墨烯的含量、退火、成膜条件等对薄膜聚集态结构的影响。以其为活性层制备太阳能电池，研究电池的性能与薄膜形态和器件结构之间的关系，为制备高性能、清洁、低成本的水溶性聚和物太阳能电池提供理论与实验依据。

以侧链带羧酸钾基团的水溶性聚噻吩衍生物poly[3-(potassium-6-hexanoate)thiophene-2,5-diyl] （P3KT）和侧链带磺酸钠基团的水溶性聚噻吩衍生物sodium poly[2-(3-thienyl)-ethoxy-4-butylsulfonate] （PTEBS）为分散剂，通过π－π相互作用非共价键功能化分散/还原法制备了在水中能够稳定分散的石墨烯，研究了水溶性聚噻吩衍生物的分子结构对石墨烯的分散性和二者成膜性的影响，结果表明，P3KT更适合作为分散剂制备石墨烯，为水溶性聚合物太阳能电池材料设计初步提供了依据。以P3KT为给体，石墨烯为受体，以水为溶剂制备了绿色环保的聚合物太阳能电池。研究了石墨烯的含量、退火等条件对P3KT/石墨烯复合膜的聚集态结构和以此复合膜为活性层制备的太阳能电池性能的影响。为了提高石墨烯在太阳能电池中的含量，降低基于水溶性共轭聚合物和石墨烯绿色太阳能电池的成本，以在水中具有较高溶解度的石墨烯JCG-3为受体，P3KT为给体制备了石墨烯含量较高的聚合物太阳能电池。以P3HT:PCBM体系为研究对象，利用氧化石墨烯（GO）修饰ITO电极，制备了结构为ITO/GO (annealing)/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al的太阳能电池。研究结果表明，由于石墨烯缓冲层的引入，增加了电极和PEDOT:PSS层之间的界面接触，且由于石墨烯具有较高的导电率，有效地改善了界面的电学性质，增强了电极对空穴的收集，从而提高了太阳能电池的光伏性能，器件的能量转换效率由2.40%提高至3.19%。此外，以共轭聚合物PP-DBT为给体，以PC71BM为受体制备了聚合物体异质结太阳能电池。通过改变给体和受体的掺杂比、选用不同的溶剂、调节活性层的厚度以及对阴极界面进行修饰等方法优化了太阳能电池的性能，最佳效率达到3.36%。以三苯胺为核，咔唑、三苯胺、吩噻嗪、联噻吩四种具有不同给电子能力的基团作为外围分枝结构，设计合成了四种星型π共轭齐聚物。系统研究了这些星型齐聚物的光物理、电化学、电子结构和电子转移性质，结果表明，这些星型π共轭齐聚物可以作为给体应用在太阳能电池中。通过上述研究，获得了一些有意义的研究结果，为制备能量转换效率较高、低成本、环境友好的水溶性聚和物太阳能电池初步提供了理论与实验依据。