新型聚合物太阳能电池给体材料的制备与光电性能研究

【摘要】：本体异质结聚合物太阳能电池(PSCs)的光敏活性层由共轭聚合物给体材料与富勒烯衍生物受体材料共混而成。其中,共轭聚合物材料的光吸收特性、电子特性、载流子迁移性能以及与富勒烯衍生物受体材料的兼容性是影响器件光电效率的核心因素。作为本体异质结聚合物太阳能电池的重要功能层材料,共轭聚合物的性能优化是提高器件效率的重要途径。因此,基于聚合物分子结构优化与设计为出发点,本论文以聚合物材料结构与性能的内在联系为主要内容,开展如下工作：1.基于苯并二噻吩(BDT)给体单元与菲并喹喔啉(PQX)受体单元,通过分子骨架平面优化与共轭体系调控,制备了一系列新型给体-受体型聚合物材料PBDTPQX1、 PBDTPQX2、PBDTPQX3与PBDTPQX4。归因于二维方向上共轭体系的拓宽及骨架平面性的优化,聚合物PBDTPQX4能量转化效率最优,短路电流为11.6 mA/cm2,光电效率达4.32%。同时,单空穴器件测试表明,聚合物材料PBDTPQX4的空穴载流子迁移率也要远远高于PBDTPQX2与PBDTPQX3。2.首先制备了烷基末端含有萘基团的双噻吩二酮吡咯并吡咯(NAPDPP)。基于二环戊二烯苯并二噻吩(IDT)给体单元,通过改变聚合反应中DPP单体与含萘基侧链NAPDPP单体的比例,制备了四个新型给体-受体型交替共聚物PIDTDPP1、PIDTDPP2、 PIDTDPP3与PIDTDPP4。以调节聚合物给体材料与富勒烯衍生物的相容性,从而实现从分子结构上对混合膜形貌的可控调节。侧链末端萘基团的引入,显著改善本体异质结混合膜形貌,器件性能得到提高。然而,随着萘组分的不断增加,聚合物链间π-π相互作用呈现减弱趋势。基于萘基侧链NAPDPP单体比例为50%时的聚合物PIDTDPP3,呈现出最优的器件性能,PCE达4.01%。3.基于苯并二噻吩单元(BDT)给体单元,通过对2,3-二苯基喹喔啉(DQX)受体单元分子优化设计,成功制备出以萘并喹喔啉(NQX)为受体单元的聚合物PBDTNQX。由于共轭体系的拓宽及骨架平面性的优化,使得含有噻吩链接单元的PBDTDTNQX的HOMO能级增加,并具有较宽的光谱响应。然而此类聚合物给体材料表现出较差的光伏特性,限制其光电性能的主要因素可能是聚合物材料不佳的纯度、较差的溶解性与较低的分子量。 【关键词】：聚合物太阳能电池 本体异质结 结构优化 光电性能 膜形貌
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O631;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-33
• 1.1 聚合物太阳能电池光电转化机理10-11
• 1.2 高性能PSCs给体材料设计原则11-12
• 1.3 PSCs给体材料分子调控研究12-14
• 1.3.1 PSCs给体材料的结构特征12-14
• 1.4 聚合物太阳能电池给体材料的主链调控研究14-21
• 1.4.1 给体单元15-17
• 1.4.2 受体单元17-21
• 1.5 PSCs给体材料的侧链调控研究21-30
• 1.5.1 烷基型侧链21-22
• 1.5.2 混合型侧链22-26
• 1.5.3 水/醇溶性侧链26-28
• 1.5.4 末端功能化基团型侧链28-29
• 1.5.5 氟化烷基型29-30
• 1.6 聚合物太阳能电池给体材料取代基调控研究30
• 1.7 本体异质结混合膜形貌及微观结构调控30-32
• 1.8 本论文的设计思路32-33
• 第二章 基于苯并二噻吩及菲并喹喔啉给体-受体型聚合物给体材料侧链调控与光电性能研究33-48
• 2.1 引言33-34
• 2.2 实验部分34-40
• 2.2.1 材料34-35
• 2.2.2 仪器与表征35
• 2.2.3 单体的制备与表征35-38
• 2.2.4 聚合物的制备与表征38-40
• 2.2.5 器件制作与测试40
• 2.3 结果与讨论40-47
• 2.3.1 合成与表征40-41
• 2.3.2 聚合物材料的热学性能41-42
• 2.3.3 聚合物材料的光学性能42-43
• 2.3.4 聚合物材料的电化学性能43-44
• 2.3.5 聚合物材料的理论研究44-45
• 2.3.6 聚合物材料的光电性能45-47
• 2.4 结论47-48
• 第三章 基于二酮毗咯并吡咯受体单元侧链末端功能化调控的给体-受体型聚合物材料的制备及光电性能研究48-61
• 3.1 引言48-49
• 3.2 实验部分49-53
• 3.2.1 材料49
• 3.2.2 仪器与表征49
• 3.2.3 单体的制备与表征49-51
• 3.2.4 聚合物的制备与表征51-52
• 3.2.5 器件制作与测试52-53
• 3.3 结果与讨论53-59
• 3.3.1 聚合物材料合成与表征53-54
• 3.3.2 聚合物材料的热学性能54
• 3.3.3 聚合物材料的光学性能54-55
• 3.3.4 聚合物材料的电化学性能55-56
• 3.3.5 聚合物材料光电性能56-59
• 3.4 结论59-61
• 第四章 基于宽光谱响应的新型给体-受体型聚合物给体材料的设计、制备及光电性能研究61-71
• 4.1 引言61-62
• 4.2 实验部分62-65
• 4.2.1 材料62
• 4.2.2 仪器与表征62
• 4.2.3 单体的制备与表征62-64
• 4.2.4 聚合物的制备与表征64-65
• 4.3 结果与讨论65-70
• 4.3.1 聚合物材料合成与表征65-66
• 4.3.2 聚合物材料的热学性能66-67
• 4.3.3 聚合物材料的光学性能67-68
• 4.3.4 聚合物材料的电化学性能68
• 4.3.5 聚合物材料的理论研究68-69
• 4.3.6 聚合物材料的光电性能69-70
• 4.4 结论70-71
• 第五章 总结与展望71-74
• 5.1 论文研究内容总结71-72
• 5.2 论文特色与创新性总结72-73
• 5.3 论文后续工作展开73-74
• 参考文献74-83
• 发表的学术论文83-84
• 附录84-93
• 致谢93

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