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共軛聚合物與聚合物太陽能電池 侯劍輝 研究員 中科院化學所，高分子物理與化學國家重點實驗室 教授 北京科技大學化學與生物工程學院 我國的太陽能分布 太陽能應用舉例 最有效的節(jié)能減排應用實例 ？ 太陽能熱水器 我國已成為太陽能熱水器的年產量和保有量均居世界首位。 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2010年我國的太陽能熱水器年產量為4900萬平方米，太陽能的保有量為1.6億平方米。 國家對太陽能熱水器產業(yè)的發(fā)展規(guī)劃是：2015年我國太陽能熱水器的保有量達到 4億平方米，太陽能熱水器的保有量在5年內翻一番。 2010年：節(jié)省煤炭0.12×1.6×108＝1920萬噸 內容提要 共軛聚合物簡介 共軛聚合物的應用領域 太陽能電池簡介 有機聚合物太陽能電池簡介 有機太陽能材料與器件 1996年諾貝爾化學獎美國的柯爾、史沫萊和英國的克羅脫 由于C60分子的形狀和結構酷似英國式足球（soccer），所以又被形象地稱為Soccerene（同樣帶有詞尾-ene），中譯名為“足球烯”。 還有人用富勒的名字（Buckminster）的詞頭Buck來命名，稱為Buckyball，中譯名為“布基球”。 克羅托等人之所以能夠勾畫出C60的分子結構，富勒的啟示起了關鍵性作用，因此他們一致建議，用Buckminster Fuller的姓名加上一個詞尾-ene來命名C60及其一系列碳原子簇，稱為Buckminsterfullerene，簡稱Fullerene，中譯名為富勒烯。 應用舉例 聚合物光伏技術的特點 光伏產業(yè)供需分析 聚合物太陽能電池的發(fā)展歷史 OPV: An organic photovoltaic cell (OPV Cell) is a photovoltaic cell that uses organic electronics (organic polymers or small organic molecules) for light absorption and charge transport. --- By Wiki 活性層材料 n-Type materials: fullerene derivatives， conjugated polymers， organic molecules. 光電轉換過程的五個階段 聚合物太陽能電池對聚合物材料的要求 A map 吸收光譜與光學帶隙的測量與計算 UV-Vis吸收光譜是表征材料的首要手段。 吸收邊的位置用來計算光學帶隙。 Eg = （1240/ledge）eV 分子能級的測量與計算 電化學循環(huán)伏安（CV）方法通常用來測定HOMO與LUMO能級 紫外光電子能譜 （UPS） 遷移率的測量 激光飛行時間法（TOF） 場效應法（FET） 空間電荷限制電流法（SCLC） Molecular structure design To enhance p-electron delocalizability is an effective way to lower the band gap of organic conjugated materials. To introduce electron donating groups， like alkoxy and amino. 2. To build conjugated structure with push-pull p-electron effect.  3. To build conjugated structure with strong quinoid properties Molecular structure design  – How to improve mobility? Including two part: inter- and intra- molecular charge transport. Intermolecular charge transport can be improved by forming tight p-p stacking between molecules. Regioregular structure; reducing steric hindrance caused by bulky non-conjugated part; planar conjugated structure; 2-dimensional conjugated structure; etc. Intramolecular charge transport can be improved by enhancing p-electron delocalizability. Seldom studied. (Possibly by reducing aromatic properties of conjugated components; quinoid structure; etc.) Two examples Donor: Molecular structure optimization of BDT-based polymers as highly efficient photovoltaic materials Acceptor: Indene-substituted fullerenes Example 1. Molecular structure optimization of polymer electron donor materials based on Benzo[1，2-b:4，5-b’]dithiophene (BDT). Merits Planar conjugated structure Easy for synthesis and purification Band gap & Molecualr energy level control of BDT-based polymer Absorption spectra & band gap of the BDT polymers Band gap (Eg): 1.1 – 2.0 eV. Calculated by Eg = 1240/ledge Comparisons 1. H6 & H8， influence of electron donating group Voc of the BDT polymers PBDTTTs: An excellent example of systematical optimization of molecular structure Starting point: Good Jsc (Eg = 1.55eV) Low Voc (HOMO = -5.0eV) Good fill factor Questions: How to improve Voc? How to get better Jsc? 1st step: replacing ester group by carbonyl group 2nd step: Adding F atom to enhance electron-withdrawing effect. PV properties of the three PBDTTT-polymer based devices 總結 什么是光伏技術？ 常見的光伏技術有哪些？ 有機/聚合物光伏與傳統(tǒng)無機光伏的差別？ 有機/聚合物光伏對材料的要求是什么？tXG紅軟基地

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