侧链功能化的D-A低带隙共轭聚合物应用于太阳能电池

【摘要】：聚合物太阳能电池由于其重量轻、价格低、可溶液加工并能够制备卷对卷工艺，受到广泛的关注。而且如果得到一种理想的聚合物，那么聚合物太阳能电池的效率有望达到市场应用。因此目前专家学者主要致力于寻求设计一种新型的聚合物分子，但是主要致力于对分子主干的设计。相比之下，很少有人去研究聚合物侧链对它们的影响，对聚合物侧链的调控主要是对其长度、形状、位置、对称性、手性和功能性的调节，而我们主要是在聚合物分子中引入含功能基团侧链，以此来研究含功能基团的聚合物与太阳能电池活性层形貌以及其性能的影响。 首先，我们合成一类新型液晶受体单元2,5-二[4-(4′-氰基二联苯氧基)十二烷基]-3,6-二噻吩-2-基-吡咯[3,4-才]吡咯-1,4-二酮(TDPPcbp)，这类液晶受体单元就是把联苯液晶基元引入到DPP中，然后分别与二(2-乙基己基)苯唑[1,2-b:4,5-b]二噻吩(BDT)和N-9-十六烷基-2,7-咔唑(CB)共聚形成两种不同的低带隙的D-A的液晶共轭聚合物聚[二-(2-乙基己基)苯唑[1,2-b:4,5-b]二噻吩-并-3,6-二-(噻吩基)-2,5-二[4-(4-氰基氧基十二烷基)]-吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮](PBDTDPPcbp)和聚[N-9-十六烷基-2,7-咔唑-并-3,6-二-(噻吩基)-2,5-二[4-(4-氰基氧基十二烷基)]-吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮](PCBTDPPcbp)，通过对联苯侧链型D-A型液晶共聚物的合成和性能研究，进一步考察液晶共轭聚合物的结构和性能的关系，如主链的分子堆叠，光谱特性，及能级大小等方面做了研究。结果表明，由于液晶的自主装特性，不仅有助于聚合物给体分子堆叠更良好，而且能够有效的驱动PC61BM和给体之间形成较好的微相分离，因此在经过热退火后，体相异质结太阳能电池的效率可高达1.3%(PBDTDPPcbp)和1.2%(PCBTDPPcbp)。 然后，我们通过Stille偶联合成一系列的(D/A)无规共轭聚合物PTBDTDPP，是将富电子基团1,4-连二噻吩-2,3,5,6-苯并二噻吩(TBDT)与缺电子基团，含有氰基功能基团的2,5-二[5-(5-氰基-5,5-二甲基-戊烷基)]-3,6-二噻吩-2-基-吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(DPPCN)，和含硅氧烷功能基团2,5-二[8-(1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷-3-基)辛基]-3,6-二噻吩-2-基-吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(DPPSi)两种受体基团，通过改变不同的投料比(TBDT: DPPSi: DPPCN=1:0.3:0.7,1:0.5:0.5,1:0.7:0.3)，得到三个无规共聚物PTBDTDPP1，PTBDTDPP2和PTBDTDPP3。这些聚合物都具有较宽的吸收带(500-1000nm)和较低的带隙(~1.6eV)，并且有较低的HOMO能级(低于-5.36eV)，接触角测试证明聚合物的表面能如预期所想，随着氰基含量的增大或硅氧烷含量的降低，表面能随之升高，会形成比较好的表面形态。而且通过X-射线衍射(XRD)对分子堆叠的研究，发现聚合物的π-π堆叠的层间距很短，有利于电荷的传输。总之，这些结果表明设计合成的这一系列聚合物可作为一种有潜力的光伏物质应用于太阳能电池。 【关键词】：太阳能电池 共轭聚合物 功能基团
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O631.11;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-32
• 1.1 引言9
• 1.2 聚合物太阳能电池存在的问题9-12
• 1.2.1 能级匹配问题10-11
• 1.2.2 薄膜形态的调控问题11-12
• 1.2.3 稳定性的问题12
• 1.3 聚合物太阳能电池的原理和结构12-14
• 1.4 太阳能电池的几个重要的参数14-15
• 1.5 共轭聚合物的分子结构15-18
• 1.6 理想的聚合物18-29
• 1.6.1 D-A 共轭聚合物的能级对太阳能电池的影响19-20
• 1.6.2 D-A 共轭聚合物的共平面对太阳能电池的影响20-21
• 1.6.3 D-A 共轭聚合物的分子量对太阳能电池的影响21
• 1.6.4 D-A 聚合物的末端取代和杂质对太阳能电池的影响21-22
• 1.6.5 D-A 型共轭聚合物侧链对光伏器件的影响22-29
• 1.7 DPP 衍生物太阳电池的合成及性能研究29-30
• 1.8 本课题提出的意义和研究内容30-32
• 第二章 含吡咯并吡咯二酮（DPP）的液晶侧链低带隙 D-A 共轭聚合物应用于太阳能电池32-49
• 2.1 引言32-33
• 2.2 实验部分33-37
• 2.2.1 实验药品33-34
• 2.2.2 实验仪器及设备34
• 2.2.3 器件结构的制备34-35
• 2.2.4 合成路线35
• 2.2.5 合成步骤35-37
• 2.3 结果和讨论37-48
• 2.3.1 结构表征37-40
• 2.3.2 热稳定性40
• 2.3.3 液晶性能40-42
• 2.3.4 光学性能42-43
• 2.3.5 微观结构43-45
• 2.3.6 电学特性45-46
• 2.3.7 光伏性能46-47
• 2.3.8 微观形貌47-48
• 2.4 结论48-49
• 第三章 基于吡咯并吡咯二酮(DPP)硅氧烷侧链功能化改性的低带隙 D-A 光伏物质的设计和合成49-65
• 3.1 引言49-50
• 3.2 实验部分50-55
• 3.2.1 实验药品50-51
• 3.2.2 实验仪器及设备51
• 3.2.3 合成路线51-53
• 3.2.4 材料的合成53-55
• 3.3 结果与讨论55-64
• 3.3.1 结构表征55-58
• 3.3.2 热稳定分析58-59
• 3.3.3 光学特性59-61
• 3.3.4 电化学特性61-62
• 3.3.5 微观结构特性62-63
• 3.3.6 表面能特性63-64
• 3.4 结论64-65
• 第四章 结论与展望65-67
• 4.1 结论65-66
• 4.2 展望66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-78
• 攻读学位期间的研究成果78

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