苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子光伏材料合成与性能研究

以苯并噻二唑为中心给体,利用Suzuki偶联和Knoevengel缩合等经典有机反应将吸电子基团氟原子和氰基引入到分子末端,完成了两个未见报道的以苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子化合物2F-TT-BT和2CN-TT-BT的合成,其化学结构通过核磁和高分辨质谱予以证实.通过紫外-可见吸收光谱、电化学循环伏安法及密度泛函理论计算对其光物理和电化学性质进行了实验及理论的研究.研究表明,合成的小分子材料对太阳光的吸收可覆盖整个紫外-可见吸收范围,具有与PC61BM相匹配的HOMO和LUMO能级,满足了溶液过程有机太阳能电池制备的基本要求.初步探索了材料的光伏性能,以小分子2F-TT-BT为给体,制作了结构为ITO/PEDOT:PSS/2F-TT-BT:PC61BM(质量比1∶2)/Al的体异质结(BHJ)太阳能电池,能量转换效率为0.53%,实验结果表明此类小分子是潜在的有机太阳能电池材料.     

基于苯并噻二唑的小分子光伏材料设计合成与性质研究

通过Suzuki偶联反应成功合成了两种新型的小分子光伏给体材料BT-1和BT-2,其以5,6-正辛氧基苯并噻二唑为中心吸电子单元,分别以9-苯基-9H-咔唑或N,N-二甲基苯胺为末端给电子单元,以联二噻吩或噻吩为桥键.利用核磁和高分辨质谱对其进行了结构表征.通过紫外-可见吸收光谱和电化学循环伏安法及密度泛函和含时密度泛函理论对其性质进行了研究.结果表明,BT-1和BT-2在常规有机溶剂中具有良好的溶解性;具有较宽的紫外-可见光谱吸收范围;具有与受体材料PC61BM相匹配的HOMO和LUMO能级.其中,弱给电子单元9-苯基-9H-咔唑的引入有效降低了BT-1的HOMO能级,有助于获得较高的开路电压;强给电子单元N,N-二甲基苯胺的引入降低了BT-2的禁带宽度,有利于获得较大的短路电流.     

一种咔唑-苯并噻二唑共聚物的合成与光伏性能研究

以N-十二烷基-2,7-咔唑为给体单元、5,6-二辛氧基二噻吩苯并噻二唑为受体单元，通过Suzuki偶联反应合成了一种具有给-受体结构的共轭聚合物聚N-十二烷基-2,7-咔唑-5,6-二辛氧基-4,7-二噻吩-2-基-苯并噻二唑（PC-DODTBT），并研究了该聚合物的光物理与电化学性能。结果表明，以PC-DODTBT为电子给体，PCBM为电子受体，制得的共混体相异质结太阳能电池在AM1.5、100 mW/cm²模拟太阳光下，开路电压为0.88 V，短路电流为2.04 mA/cm²，填充因子为0.51，能量转换效率为0.92%。     

氟原子对光伏聚合物性能的影响

以二(2-辛基十二烷氧基)苯并二噻吩(ODBDT)为供体单元,分别与受体单元二噻吩苯并噻二唑(DTBT)和二氟代二噻吩苯并噻二唑(DTffBT)共聚,合成了两种具有给-受体(D-A)结构的共轭聚合物PODBDT-DTBT和PODBDT-DTffBT。利用紫外-可见吸收光谱、循环伏安法研究了聚合物的光物理与电化学性能,并通过光伏性能测试研究了氟原子对聚合物太阳能电池的影响规律。结果表明,氟原子的引入使得聚合物的光学带隙变窄,溶解性变差;基于PODBDT-DTBT或PODBDT-DTffBT与PC71BM共混制备的本体异质结太阳能电池,光电转化效率分别为3.01%和2.00%。     

芴基苯并噁嗪单体的合成及热性能研究

以双酚芴、环己胺和甲醛为原料,采用混合溶剂法合成了一种新型双官能度芴基苯并噁嗪单体,利用FTIR,1H NMR和13C NMR对产物结构进行了表征,以差式扫描量热仪(DSC)研究了芴基苯并噁嗪单体的固化行为,通过DSC和热重(TGA)分析了聚苯并噁嗪的热性能.结果表明,芴基聚苯并噁嗪树脂呈现出典型的热开环固化特征,放热峰顶温度为251℃,玻璃化转变温度Tg为189.4℃,初始热分解温度(热失重5%)达329℃,800℃时的残碳率达到31%.     

基于双氰基茚满二酮吸电子单元的非对称小分子给体的合成及其光伏性能

采用双氰基茚满二酮为吸电子单元,分别以苯并二噻吩并吡咯和4,4’-二甲基三苯胺为给电子单元,设计合成了两种具有给电子-吸电子(D-A)型结构的非对称小分子给体材料D1和D2;通过紫外-可见吸收光谱和循环伏安法研究了这两个小分子给体的光学性能及电化学性质,并考察了由这两个小分子和C₇₀制备的全小分子有机太阳能电池的光伏性能.研究结果表明：含有稠环给电子单元的小分子给体D1比含有三苯胺给电子单元的D2具有更宽的光学吸收、更低的最高占据分子轨道能级和更好的光伏性能;以D1和D2为给体、C₇₀为受体的可真空蒸镀有机太阳能电池的最高光电转换效率分别为5.03%和3.78%.     

聚(4,7-二(4-己基噻吩-2-基)-2,1,3-苯并噻二唑)的合成及光/电化学性质研究

本文通过Still偶联反应合成了4,7-二(4-己基噻吩-2-基)-2,1,3-苯并噻二唑,进一步经Fe Cl3氧化法合成得到聚(4,7-二(4-己基噻吩-2-基)-2,1,3-苯并噻二唑)(PHB),并利用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、发光光谱、循环伏安曲线及热重(TG)进行表征.与聚3-己基噻吩(P3HT)的光/电化学性质比较表明,共轭链中D-A推拉电子结构的形成能显著提高共轭高分子聚合物最大吸收波长,降低带隙.     

4'-取代乙酰基苯并-冠-5和双(苯并-15-冠-5)的合成

本文报道了五种4'-取代乙酰基苯并-15-冠-5(其中四种为新化合物)和五种新型双(苯并-15-冠-5)的合成.产物经元素分析、质谱、红外光谱和核磁共振谱(~1H谱和部分~(13)C谱)鉴定,证明与预期的化学结构相符.文中还对合成路线和产物的结构特点进行了讨论.     

给体-受体型聚合物光伏电池材料的设计合成及器件

给体-受体型聚合物是目前研究最广且性能最优的太阳能电池材料。本文以笔者课题组的研究成果为基础,结合国内外最新研究结果,综述了给体-受体型聚合物光伏电池材料及其电池器件加工工艺与技术的最新研究进展。本文介绍的聚合物材料主要包括卟啉类、萘并二噻吩类、苯并噻(噁)二唑类、二茚并二噻吩类等,电池器件加工技术方面则包括溶剂添加剂和界面修饰层的应用及其对光伏电池性能的影响等。     

基于苯并噻二唑衍生物的荧光传感器检测铜离子和氟离子（英文）

报道了一种基于苯并噻二唑衍生物的荧光传感器用于检测金属铜离子和氟离子。通过紫外可见光谱和荧光光谱研究此传感器检测离子的能力。研究表明,在所测试的阴离子中,只有氟离子可以引起此荧光探针的吸收峰蓝移(从390 nm到383 nm),并伴随着一定强度的减弱。同样氟离子可以引起此荧光探针的荧光强度降低并且蓝移(从496 nm到488 nm)。在所测试的阳离子中,铜离子可引起荧光探针的吸收峰红移,荧光强度淬灭90%。此外,当加入铜离子和氟离子的先后顺序不同时,引起的荧光光谱变化也不同。     

异质结光生电荷分离机制与光电性质研究

将不同质量分数还原氧化石墨烯(RGO)与Cu_4Bi_4S_9(CBS)纳米带复合,制备成不同比例复合体系(CBS-RGO).以ZnO纳米线为电子受主,CBS或CBS-RGO为电子施主,详细研究了ZnO/CBS、ZnO/CBS-RGO两类异质结构及对应体相异质结太阳能电池的光电性质.随着RGO含量逐步增加,CBS-RGO对应稳态光伏性质逐渐增强,当RGO达到1.6%时,CBS-RGO具有最佳光伏响应强度,随后其光伏性质逐渐减弱.此外,ZnO/CBS-RGO呈现出了优于ZnO/CBS的光伏响应特性.在相同正外电场作用下,ZnO/CBS-RGO同样具有明显优于ZnO/CBS的光电性质;逐步提高外电场,ZnO/CBS-RGO光伏响应增加更为显著.基于1.6%RGO,ZnO/CBS、ZnO/CBS-RGO两类体相异质结太阳能电池最高光电转换效率分别为1.5%和3.6%.从异质结厚度、能级匹配、CBS与RGO接触界面、RGO导电网络及其优越的电子传输特性几个方面,分析了体相异质结构中光生电荷分离的机制以及多通道协同传输对光电性质的作用.     

基于准Z源逆变器的光伏并网控制

针对光伏电池工作时受光照强度、环境温度影响而导致输出电压具有较大波动性这一问题,构建了一种基于准Z源逆变器的光伏并网系统,并采用两级自然坐标控制,通过调节准Z源逆变器的直通占空比来控制直流侧电压稳定;同时,在abc自然坐标下实现对准Z源逆变器的有功和无功的独立控制,避免了参数不准确导致的电流解耦不彻底。对运行中出现的光伏电源输出波动进行的仿真和dSPACE实时控制实验表明,采用该控制策略的基于准Z源逆变器的光伏并网系统能有效抑制光伏电池输出电压波动对并网的影响,向电网输入更高质量的电能。     

高倍聚光光伏模组中菲涅尔透镜沿光轴方向的光照非均匀性变化及影响

对于菲涅尔透镜作为主要聚光器件的高倍聚光光伏模组,应用中通常把多结电池放置于透镜焦平面处,然而光学系统非理想性造成焦平面处的光照非均匀性,会影响三结电池及模组整体的输出特性。本文通过光线追踪模拟和三维三结电池网络模型,分析沿光轴方向不同位置,菲涅尔透镜聚光光照非均匀性的变化,以及对高倍聚光光伏模组的影响机理和优化。结果表明沿光轴填充因子与光照非均匀性有密切关系,沿光轴不同程度的光照非均匀性导致不同程度的横向电流,填充因子随之发生变化,在远离焦平面的位置存在更优的填充因子,提升最大输出功率。实验结果也很好地验证了模拟的结果,本文结论对实际应用中高倍聚光光伏模组的结构优化有参考意义。     

平衡式跟踪与光反射技术在太阳能光伏中的增效分析

通过增加受光强度技术提高光伏效率,一方面,采用平衡式太阳光跟踪控制技术,在保持太阳能电池板法线始终平行于太阳光线的同时,如何使跟踪执行机构自身功耗的最小化,达到增收而又节支的目的;另一方面,采用光学反射原理增加太阳能电池板的受光强度技术,可以提高效率的同时,有效降低成本,更是适用于太阳能资源相对匮乏的地区。因此,从力学与光学的角度增加太阳能电池受光强度,对于如何最大限度地提高太阳能光伏系统效率、普及推广清洁能源都具有实用意义。     

光伏发电系统最大功率点跟踪控制的研究

针对扰动观察法的速度和精度在很大程度上受扰动初始值和扰动步长的影响,且在最大功率点附近存在功率振荡现象等问题,提出一种改进扰动观察法。首先当日照变化较快时,利用短路电流使输出功率能够快速跟踪在最大功率点附近,然后采用可变步长的扰动观察法使光伏电池稳定在最大功率点。通过仿真实验证明该改进方法明显缩短了最大功率点的跟踪时间,并且基本消除了功率振荡现象,提高了最大功率点跟踪控制技术。     

聚乙烯亚胺对ZnO纳米线阵列膜的形貌和光电性能的影响

采用X射线衍射仪、投射电镜仪和扫描电镜仪等测试手段,系统地研究了不同聚乙烯亚胺(PEI)浓度对ZnO纳米线阵列膜的形貌、线密度和尺寸的影响及ZnO纳米线阵列膜的光电性能.研究结果表明,在PEI浓度从3.2 mmol.L-1变化到9.3 mmol.L-1所制备的所有ZnO纳米线阵列膜中,使用7.3 mmol.L-1PEI浓度合成的ZnO纳米线阵列膜,制成染料敏化太阳能电池后获得0.66%的最高的光电转换效率.     

用于光伏并网的组合级联式功率转换系统复合功率控制策略研究

根据光伏电站并网要求,分析了HC-PCS拓扑结构及特点,提出HC-PCS对光伏电站有功与无功综合补偿的复合功率控制策略.该复合控制策略兼顾光伏电站的有功平滑和电压稳定需求来确定HC-PCS的输出电流参考值,对HC-PCS输出有功与无功补偿进行协调控制,同时附加变化率控制,充分利用其快速功率调节特性,并且对电池充放电进行保护.对所提出的控制策略进行了仿真验证,结果表明,基于电池储能的HC-PCS可有效改善光伏电站并网特性,有助于提高光伏电站的低电压穿越能力,并对电网提供一定的动态无功支撑.     

基于学习曲线的CO2捕集和可再生能源发电成本

为研究CO2捕集与封存技术(CCS,carbon captureand storage)和风电、太阳能发电技术未来成本变化,该文利用年限平均法计算了不同技术的发电成本及构成;在对不同发电技术未来装机容量合理假设的基础上,利用学习曲线模型分析了中国光伏和风电技术的学习率,并分析了其未来发电成本的变化以及达到商业化所需要的社会投入成本;在分析CCS电站时,利用自下而上的方法,将捕集电站分解为不同的子系统,考察了其未来的发展。研究结果表明:风电技术为近期首选的减排技术,而光伏发电技术在长期具备竞争力;如果EOR(enhanced oil recovery)技术能够大规模推广,CCS技术也将具备充分的竞争力。     

基于Zn_2SnO_4纳米线固态染料敏化太阳能电池光生电荷分离与光电性质研究

采用水热法在不锈钢滤网上制备出Zn2SnO4纳米线.首次通过制备Zn2SnO4纳米线/CBS异质结构来提高复合体系的光生电荷分离效率;逐步改变CBS厚度系统研究了Zn2SnO4纳米线/CBS染料敏化太阳能电池的光电转换效率.结果表明Cu4Bi4S9为1.0μm时,Zn2SnO4纳米线/Cu4Bi4S9异质结具有最强稳态和电场诱导表面光伏效应,对应染料敏化电池最高光电转换效率为4.12%.从光吸收、薄膜厚度、内建电场和能级匹配等几个方面,讨论了异质结和固态染料敏化电池中光生电荷分离的影响因素以及光生电荷传输机制.