苯并稠杂环类聚合物太阳能电池材料的性能研究

【摘要】：聚合物光伏材料的吸收光谱、与富勒烯受体匹配的电化学能级、载流子迁移率和活性层形貌是影响聚合物太阳能能量转换效率的重要因素。本文以拓宽聚合物的吸收光谱、调节电化学能级、提高载流子迁移率和改善活性层形貌为目的,设计与合成了一系列新型的以苯并二呋喃衍生物为核心的共轭聚合物,主要开展的工作如下： (1)一种新的窄带隙共轭聚合物PBDFTT-C,由噻吩并噻吩电子受体单元与苯并二呋喃给体单元通过stille偶联反应合成。通过核磁共振及元素分析验证了聚合物PBDFTT-C的分子结构。研究结果显示,PBDFTT-C拥有一个低的HOMO能级(-5.27eV),在薄膜状态下的吸收波长范围为300～840nm,因此它获得了一个非常窄的光学带隙(1.48eV)。通过空间电荷限制电流法(SCLC)测得它的空穴迁移率为5.4×10-3cm2·V-1·s-1。初始的光伏器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PBDFTT-C:PC71BM(1:1.5,w/w)/Ca/Al,当在活性层中加入3%的DIO时,它的能量转换效率提高到4.4%,其中开路电压0.66V,短路电流10.45mA·cm-2,填充因子为0.64。 (2)通过Stille偶联反应合成了苯并二呋喃为给体的三种窄带隙聚合物(PBDFDODTBT、PBDFDTBTz和PBDFDTBO)。三种聚合物都能很好的溶解在氯仿、四氢呋喃及氯苯等普通的溶剂中,且它们都具有良好的成膜性。它们的分子结构由核磁共振及元素分析法验证,分子量采用凝胶色谱法(GPC)测定,热学性能由热重分析法(TGA)测定。PBDFDODTBT与PC7,BM按照1：2共混,通过SCLC方法测得它的空穴迁移率达到6.7×10-2cm2·V-1·s-1。当光伏器件结构为ITO/PEDOT: PSS/PBDFDODTBT:PC71BM(1:2, w/w)/Ca/Al,能量转换效率为4.5%,其中开路电压为0.69V,短路电流为9.87mA·cm-2。 (3)通过Stille偶联反应合成得到了两种侧链为烷基噻吩的苯并二呋喃类聚合物。所有聚合物都能很好的溶解在普通的溶剂中,且具有良好的成膜性。通过改变不同的电子受体单元来调节聚合物的吸收光谱及电化学能级。聚合物与PC71BM共混通过SCLC方法算得它的的空穴迁移率可达到10-1数量级之高。光伏器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PBDFTDTBT:PC71BM(1:1.5, w/w)/Ca/Al时,能量转换效率高达6.0%,相应的开路电压为0.76V,短路电流为12.04mA·cm-2。 (4)合成了三种侧链为烷基噻吩的苯并二噻吩类聚合物(PBDTTDTBT、PBDTTDTBP和PBDTTDTBTz)。三种共聚物具有很好的溶解性能、宽阔的紫外可见吸收光谱以及合适的电化学能级。通过改变不同的电子受体来调节聚合物的吸收光谱及电化学能级。通过场效应晶体管法(FET)测得共聚物的空穴迁移率达到10-2数量级,当聚合物与PC71BM共混时,通过SCLC方法测得空穴迁移率高达10-1数量级。光伏器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PBDTTDTBO:PC71BM (1:1.5,w/w)/Ca/Al时,能量转换效率为5.9%,开路电压为0.84V,短路电流为11.45mA·cm-2。据我们所知,这是目前报道的以DTBO为受体的共聚物中能量转换效率最高的数值。 (5)首次合成了一种侧链含有烷基链的奈并二呋喃为给体单元的聚合物PNDFDTBT。通过核磁共振、凝胶渗透色谱法、热失重分析、紫外吸收光谱、循环伏安法对聚合物PNDFDTBT进行了详细的表征。聚合物PNDFDDTBT与PC71BM按照1：2共混时,通过SCLC方法测得它的空穴迁移率达到7.4×10-2cm2·V-1·s-1.当光伏器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PNDFTDTBT:PC71BM(1:2,w/w)/Ca/Al时,在AM1.5,100mW/cm2光照条件下,它的能量转换效率为4.5%。研究结果表明,NDF作为一种新的有前景的电子给体单元将有可能开发出一类高效率的聚合物太阳能电池材料。 【关键词】：窄带隙 共轭聚合物 能级 吸收光谱 聚合物太阳能电池
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;O631.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-12
• 1 绪论12-34
• 1.1 共轭聚合物的分子设计思路13-16
• 1.1.1 带隙和HOMO-LUMO能级的要求13-14
• 1.1.2 带隙工程的策略14-16
• 1.1.3 溶解性16
• 1.2 聚对苯撑乙烯(PPV)共轭聚合物的研究进展16-22
• 1.2.1 含氰基的聚对苯乙炔20
• 1.2.2 深蓝的含噻吩聚对苯乙炔20-22
• 1.2.3 含乙炔基的聚对苯乙炔22
• 1.3 基于芴的共轭聚合物的研究进展22-28
• 1.3.1 含富电子基团的芴基共聚物23-24
• 1.3.2 含缺电子基团的芴基共聚物24-28
• 1.4 苯并二噻吩(BDT)类共轭聚合物的研究进展28-33
• 1.4.1 BDT单体的合成29-30
• 1.4.2 基于BDT聚合物的带隙和分子能级控制30-33
• 1.5 论文的设计思想与研究内容33-34
• 2 苯并二呋喃与噻吩[3,4-b]噻吩共聚物的设计、合成及光伏性能研究34-49
• 2.1 前言34
• 2.2 实验部分34-39
• 2.2.1 试剂与仪器34-35
• 2.2.2 单体和聚合物的合成35-38
• 2.2.3 测试方法38-39
• 2.3 结果与讨论39-48
• 2.3.1 聚合物的合成与结构表征39
• 2.3.2 热稳定性能39-40
• 2.3.3 光学性能40-41
• 2.3.4 电化学性能41-42
• 2.3.5 场效应晶体管性能42-43
• 2.3.6 光伏性能43-46
• 2.3.7 形貌46-48
• 2.4 本章小结48-49
• 3 苯并二呋喃类聚合物的合成及其在光伏电池中的应用49-65
• 3.1 前言49-50
• 3.2 实验部分50-52
• 3.2.1 试剂与仪器50
• 3.2.2 单体和聚合物的合成50-52
• 3.2.3 测试方法52
• 3.3 结果与讨论52-64
• 3.3.1 聚合物的合成与结构表征52-54
• 3.3.2 热稳定性54
• 3.3.3 光吸收性能54-55
• 3.3.4 电化学性能55-57
• 3.3.5 空穴迁移率57-59
• 3.3.6 光伏性能59-62
• 3.3.7 形貌62-64
• 3.4 本章小结64-65
• 4 侧链为烷基噻吩的苯并二呋喃类聚合物的合成及其光伏应用65-77
• 4.1 前言65-66
• 4.2 实验部分66-68
• 4.2.1 试剂与仪器66
• 4.2.2 单体和聚合物的合成66-68
• 4.2.3 测试方法68
• 4.3 结果与讨论68-76
• 4.3.1 聚合物的合成与结构表征68-69
• 4.3.2 热稳定性69
• 4.3.3 光学性能69-70
• 4.3.4 电化学性能70-71
• 4.3.5 空穴迁移率71-72
• 4.3.6 光伏性能72-75
• 4.3.7 形貌75-76
• 4.4 本章小结76-77
• 5 侧链为烷基噻吩的苯并二噻吩类聚合物的合成及其光伏应用77-93
• 5.1 前言77-78
• 5.2 实验部分78-79
• 5.2.1 试剂与仪器78
• 5.2.2 单体和聚合物的合成78-79
• 5.2.3 测试方法79
• 5.3 结果与讨论79-91
• 5.3.1 合成与表征79-80
• 5.3.2 热稳定性能80
• 5.3.3 光学性能80-82
• 5.3.4 电化学性能82-83
• 5.3.5 空穴迁移率83-86
• 5.3.6 光伏性能86-90
• 5.3.7 形貌分析90-91
• 5.4 本章小结91-93
• 6 萘并[1,2-b:4,5-b']二呋喃作为新的电子给体在高效太阳能电池中的应用93-107
• 6.1 前言93-94
• 6.2 实验部分94-97
• 6.2.1 试剂与仪器94-95
• 6.2.2 单体与聚合物的合成95-97
• 6.2.3 测试方法97
• 6.3 结果及讨论97-106
• 6.3.1 材料合成及表征97-98
• 6.3.2 热学稳定性98-99
• 6.3.3 光学性能99-100
• 6.3.4 电化学性能100-101
• 6.3.5 空穴迁移率101-103
• 6.3.6 光伏性能103-105
• 6.3.7 形貌分析105-106
• 6.4 本章小结106-107
• 7 总结与展望107-109
• 7.1 总结107-108
• 7.2 展望108-109
• 参考文献109-120
• 攻读博士学位期间主要的研究成果120-124
• 致谢124

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