基于不同侧链取代基的苯并二噻吩的新型共轭聚合物给体材料的设计、合成及其在太阳能电池中的应用

【摘要】：随着人类社会的高速发展，其对能源的需求日益增加。传统的煤炭、石油、天然气等能源存在储量有限、易造成空气污染等缺点，不宜大量长期使用。因此，寻找可以替代这些传统能源的新型能源已经成为人类社会亟待解决的一大难题。太阳能以其取之不尽、用之不竭、清洁无污染等优点得到了人们的广泛关注，因此开发利用太阳能的方法技术逐渐发展起来。目前，以硅基系列、砷化镓系列等无机半导体为主要材料制成的叠层无机太阳能电池其光电转化效率已经达到40%以上，商业应用最为广泛。然而，虽然制备无机太阳能电池的技术已经有了很大的发展，但是其还存在着明显的不足。例如，制备硅基太阳能电池时，采用氧化-还原反应来提纯硅的这一方法使得硅基太阳能电池的制造能耗较大、污染较高。另外，硅基太阳能电池的工艺比较复杂且生产设备也相对昂贵。为了解决这些问题，具有制备成本低、制备工艺简单、质量轻、能实现大面积柔性生产等优点的有机太阳能电池进入了人们的研究范围。在众多研究小组的不断努力下，目前，以聚合物为半导体材料制备的叠层有机太阳能电池器件其光电转化效率已经达到10%以上。尽管如此，有机太阳能电池要想实现商业化生产仍然有很大的难度。因此，针对提高有机太阳能电池器件光电转化效率的研究有很大的现实意义和实用价值。 本论文致力于合成一系列基于不同侧链取代基的苯并二噻吩的新型共轭聚合物给体材料，通过表征所合成聚合物的热力学、光学、电化学、光伏性能等研究聚合物重复单元中不同结构的侧链取代基团对聚合物太阳能电池器件光电转化效率的影响。 本论文的研究体系是：我们选择了众多具有较高光电转换效率的共轭聚合物普遍都包含的苯并二噻吩这一具有较大平面共轭结构的单元作为聚合单体，在其侧链引入不同的取代基团后通过均聚、共聚等方法合成一系列的新型共轭聚合物。通过表征所合成聚合物的热力学、光学、电化学及光伏性能等研究不同的侧链取代基团对聚合物结构的影响，进而研究不同的聚合物侧链结构对聚合物太阳能电池器件光电转化效率的影响。 首先，我们将具有亲水性的寡聚乙氧基一维柔性侧链引入到苯并二噻吩结构单元中，合成了一种全新的寡聚乙氧基取代的苯并二噻吩单体。为了研究寡聚乙氧基侧链在聚合物太阳能电池器件中的作用，我们设计并合成了两种全新的共轭聚合物。这两种聚合物含有完全相同的主链结构，区别在于侧链含有的寡聚乙氧基数量不同。通过研究基于这两种聚合物制备的太阳能电池器件我们发现，寡聚乙氧基侧链的比例越高，其活性层表面粗糙度越大，聚集面积越大，因此其光电转化效率越低。 其次，我们将具有超共轭结构的三噻吩二维侧链取代基引入到苯并二噻吩结构单元中，合成了一种全新的三噻吩取代的二维共轭的苯并二噻吩单体。通过与具有缺电子性的结构单元共聚合成了一种新型共轭聚合物。这种聚合物除了主链具有的共轭结构外，还具有从主链到侧链的二维共轭作用。通过对该聚合物一系列的性能表征我们发现，这种二维共轭作用增强了聚合物的热稳定性、拓宽了聚合物的吸光范围、降低了聚合物的HOMO（最高占有分子轨道）与LUMO（最低未占有分子轨道）能级。得益于这些优越的基础性能，基于此聚合物的太阳能电池器件表现出了3.57%的光电转化效率。 最后，我们以上述三噻吩取代的二维共轭的苯并二噻吩单体为共聚单元，另外选择一系列缺电子性强弱不一的单体作为另一共聚单元合成了五种具有不同主链结构的新型共轭聚合物给体材料。在聚合物主链中引入缺电子性的结构单元，能够有效的降低聚合物的HOMO能级，进而提高太阳能电池器件的开路电压，我们通过表征这一系列具有不同HOMO能级的聚合物的基本性能，较为系统地研究了三噻吩共轭侧链在不同聚合物结构中的不同作用，以及对基于这些聚合物制备的太阳能电池器件光电转化效率的影响。 【关键词】：侧链取代苯并二噻吩 寡聚乙氧基一维柔性侧链 三噻吩基二维共轭侧链 聚合物太阳能电池 光电转化效率
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TQ317
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-37
• 1.1 引言13-14
• 1.2 有机聚合物太阳能电池简介14-34
• 1.2.1 有机聚合物太阳能电池的工作原理14-15
• 1.2.2 有机聚合物太阳能电池器件结构15-18
• 1.2.3 有机聚合物太阳能电池器件的几个重要参数18-19
• 1.2.4 常用于有机聚合物太阳能电池器件中的共轭聚合物给体材料19-34
• 1.2.4.1 一维柔性侧链取代的苯并二噻吩聚合物给体材料20-26
• 1.2.4.2 二维共轭侧链取代的苯并二噻吩聚合物给体材料26-34
• 1.3 本论文工作的研究内容和创新之处34-37
• 1.3.1 本论文工作的研究内容34-35
• 1.3.2 本论文研究内容的创新之处35-37
• 2 亲水性寡聚乙氧基侧链取代的苯并二噻吩均聚物给体材料的合成及光伏性能研究37-55
• 2.1 引言37-39
• 2.2 实验部分39-44
• 2.2.1 原料和试剂39
• 2.2.2 材料的表征设备和仪器39-40
• 2.2.3 聚合物太阳能电池器件的制备40
• 2.2.4 器件制备及测试所需仪器设备40
• 2.2.5 单体及聚合物的合成40-44
• 2.3 结果与讨论44-53
• 2.3.1 合成及性能表征44-45
• 2.3.2 聚合物的热力学性能45-46
• 2.3.3 聚合物的光学性能46-47
• 2.3.4 聚合物的电化学性能47-48
• 2.3.5 聚合物太阳能电池性能48-50
• 2.3.6 聚合物太阳能电池外量子效率50
• 2.3.7 聚合物太阳能电池迁移率50
• 2.3.8 聚合物 X 射线衍射及原子力显微图像50-52
• 2.3.9 聚合物太阳能电池稳定性分析52-53
• 2.4 本章小结53
• 2.5 附录53-55
• 3 超共轭侧链取代的苯并二噻吩与苯并噻二唑衍生物共聚物的设计、合成及光伏性能研究55-69
• 3.1 引言55-56
• 3.2 实验部分56-59
• 3.2.1 原料和试剂56
• 3.2.2 材料的表征设备和仪器56-57
• 3.2.3 聚合物太阳能电池器件的制备57
• 3.2.4 器件制备及测试所需仪器设备57
• 3.2.5 单体及聚合物的合成57-59
• 3.3 结果与讨论59-66
• 3.3.1 合成及性能表征59-60
• 3.3.2 聚合物的热稳定性60
• 3.3.3 聚合物的光学性能60-61
• 3.3.4 聚合物的电化学性能61-62
• 3.3.5 聚合物的太阳能电池性能62-64
• 3.3.6 聚合物太阳能电池外量子效率64
• 3.3.7 聚合物太阳能电池迁移率64-65
• 3.3.8 原子力显微图像65-66
• 3.4 本章小结66-67
• 3.5 附录67-69
• 4 超共轭侧链对 D A 型聚合物热力学、光学及光伏性能影响研究69-79
• 4.1 引言69-70
• 4.2 实验部分70-72
• 4.2.1 原料和试剂70
• 4.2.2 材料的表征设备和仪器70
• 4.2.3 聚合物太阳能电池器件的制备70
• 4.2.4 器件制备及测试所需仪器设备70
• 4.2.5 单体及聚合物的合成70-72
• 4.3 结果与讨论72-77
• 4.3.1 合成及性能表征72
• 4.3.2 聚合物的热力学性能72-73
• 4.3.3 聚合物的光学性能73-76
• 4.3.4 聚合物太阳能电池性能76-77
• 4.4 本章小结77
• 4.5 附录77-79
• 本论文总结79-81
• 参考文献81-93
• 致谢93-95
• 个人简历95
• 发表的学术论文95-97

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