光伏电池是近年来发展最快、最具活力的研究领域之一。聚合物太阳电池具有低成本、易于加工、适于制备大面积柔性器件等优点,正受到业界的广泛关注。有机共混体系中光诱导电荷转移现象的发现及本体异质结结构的建立,使得有机太阳电池性能大幅度提高。目前文献报道的聚合物太阳电池的最高能量转换效率已经达到了5％以上,但离实际应用还有一段距离。聚合物太阳电池存在的问题是一般有机材料自身载流子迁移率较低、器件吸收光谱范围与太阳光谱匹配不好使相当部分太阳能不能被利用。为了解决这些问题,近年来,纳米晶/共轭聚合物共混太阳电池由于兼具聚合物的易加工性、柔韧性和无机纳米晶的高迁移率、高比表面积等优势而引起了人们极大的兴趣。在聚合物太阳电池中引入电子迁移率均较高的无机半导体纳米晶作为电子受体,将有可能提高电荷的分离和传输效率,从而提高器件的性能。另一个途径是开发与合成比传统的P3HT带隙更窄的电子给体聚合物使器件的光谱响应向近红外与红外延伸以更充分利用太阳光能。 本论文主要研究本实验室所研制的CdS纳米晶及几种新型窄带隙共轭聚合物在聚合物异质结太阳电池中的特性和应用。在第三章中,我们将粒径<10 nm的多臂CdS纳米晶作为受体材料应用于聚合物太阳电池中,详细考察了CdS纳米晶与聚合物的不同配比(nc-CdS/MEH-PPV)、活性层的厚度以及热处理等条件对器件性能的影响。UV-Vis吸收谱、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、PL光谱、红外光谱(FTIR)及光电性能测试研究表明,上述条件对共混太阳电池器件的性能有着明显的影响。当nc-CdS/MEH-PPV比例较高时,CdS纳米晶的加入能够有效地淬灭共轭聚合物的荧光。我们侧重研究了溶剂对nc-CdS/MEH-PPV薄膜形貌及器件性能的影响,发现以吡啶为溶剂时,纳米晶能够更均匀地分散在聚合物基体中,形成良好的两相互穿网络体系。红外光谱结果还表示CdS纳米粒子经过吡啶处理后,表面的表活剂HDA分子被吡啶分子所取代。CdS表面包裹的吡啶分子促进了CdS纳米粒子在吡啶溶剂中的分散,起到了表活剂的作用,提高了CdS纳米粒子与MEH-PPV长链在吡啶溶液和固体薄膜中的相容性。用吡啶溶剂分散的无机纳米晶在聚合物中也有更好的荧光淬灭效果。在AM1.5G模拟太阳光(光强为100 mW/cm2)照射条件下,我们所制备的nc-CdS/MEH-PPV共混太阳电池器件的短路电流为2.96 mA/cm2,开路电压为0.85 V,填充因子为46.6％,能量转换效率达到了1.17％,是该体系在目前已报道的结果中的最好的器件水平。我们的研究结果还表明,通过提高材料质量,优化器件结构,器件的性能有望得到进一步的提高。这一研究预示着无机CdS纳米晶体/聚合物复合固体薄膜太阳电池可以通过无机/有机相界面的调控大幅改进器件性能。硅芴有着很好的电致发光效率和热稳定性,但在此前还未有过将硅芴材料应用于光伏领域的报道。在第四章中,我们将本实验室开发的2,7-硅芴(SiF)与窄带隙单体DBT共聚得到红色发光材料聚[2,7-(9,9-二正辛基硅芴)-交替-5,5"-(4,7-二-2-噻吩基-2,1-3-苯并噻二唑)](PSiF-DBT)作为电子给体,与[6,6]-苯基-C61-丁酸甲脂(phenyl C61 butyric acid methyl ester,PCBM)作为电子受体制作体异质结聚合物太阳电池。通过对器件结构的优化PSiF-DBT/PCBM器件的最好结果为：开路电压0.90 V,短路电流密度9.5 mA/cm2,填充因子50.7％,能量转换效率5.42％(AM1.5G模拟太阳光,80mW/cm2),器件的外量子效率达到了近70％。迁移率测试表明聚合物PSiF-DBT50的具有高的空穴迁移率。值得指出的是目前国际上能得到5％左右能量转换效率的给体聚合物只有两种噻吩类聚合物,因此这是目前国际文献报道中又一个新的聚合物其能量转换效率可达5％的新体系。比噻吩类聚合物由于PSiF-DBT的HOMO较低,因而具有较高的开路电压。我们预计硅芴聚合物必将成为有机太阳电池下一轮热门研究的给体材料。 在第五章中,我们研究了噻吩与4,7-二(3-癸基噻吩-2-基)苯并噻二唑和5,7-双(4-癸基噻吩-2-基)-噻并[3,4-b]噻二唑的交替共聚物PDDBT和PDDTT在聚合物太阳电池和近红外发光二极管中的应用,其中PDDBT的光学带宽为1.38 eV,PDDTT的光学带宽为1.01 eV,是目前所报道的非金属离子型聚合物中带隙最小之列。两类聚合物均具有良好的成膜性,器件制作方便。所得聚合物PDDBT的电致发光器件的得到了近红外区的发光,该聚合物的EL发射峰在830nm左右。以PDDBT和PCBM共混得到了光谱响应达到880 nm的光伏器件。其中,PDDTT是现今报道的具有溶液加工性能的无金属离子存在下的带隙最窄的共轭聚合物,以该聚合物为电子给体材料、PCBM为电子受体材料的光伏器件所能达到的对光的响应波长达到了1100 nm,是迄今为止报道的聚合物光伏器件中所达到的光响应波长最长的器件,可以应用于响应很宽的光检测器件。