具有宽吸收谱的氟取代四元聚合物给体材料的合成及光伏性能研究

【摘要】：当今能源紧缺,太阳能的开发和利用被广泛重视。有机太阳能电池以其重量轻、成本低、原料丰富、廉价、柔性、工艺简单等优点,具有巨大的应用潜力。但要达到产业化还需进一步的发展,所以设计并合成出具有高性能的有机聚合物给体材料显得尤为重要。在本文中,做了以下工作:(1)论文第三章,我们以苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)单体作为电子给体单元,二酮吡咯并[3,4-c]吡咯(DPP)、苯并噻二唑(BT)和二氟苯(DFB)或四氟苯(TFB)作为电子受体单元,通过Stille偶联聚合反应,得到了两种窄带隙四元聚合物(PBDT-DFB1-DPP1-BT1和PBDT-TFB1-DPP1-BT1),均具有从300 nm到近红外光区域的宽吸收光谱,以及较窄的光学能带隙(1.5 eV左右)和低的HOMO能级。另外该类聚合物具有良好的热稳定性,热失重5%时对应的温度分别为370 oC和403°C。基于上述两种聚合物作给体材料,选取PC60BM作受体材料,制备的有机聚合物太阳能电池在AM 1.5G,功率为100 mW/cm2的太阳光照射下,测得的能量转化效率分别为1.56%和1.26%。(2)论文第四章,我们以苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)和己基噻吩(HT)单体作为电子给体单元,二酮吡咯并[3,4-c]吡咯(DPP)和具有不同氟原子数量的取代苯作为电子受体单元进行Stille偶联聚合反应,得到了四种窄带隙四元聚合物材料(PBDT-B1-DPP1-HT1、PBDT-FB1-DPP1-HT1、PBDT-DFB1-DPP1-HT1和PBDT-TFB1-DPP1-HT1),然后分别从分子结构、光学、热学和电化学对其进行了性质测试分析。该类聚合物有着从300到900 nm的宽吸收光谱,以及较低的HOMO能级(-5.61—-5.66 eV)。从热失重测试结果来看,这四种聚合物热失重5%时对应的温度都在330°C以上,表明材料都具有良好的热稳定性。分析性质测试结果发现,通过改变引入氟原子的数量,可以有效调控材料的能级,达到改善材料的分子链结构的目的。设计合成出的这类宽吸收谱四元聚合物,为高性能OPVs技术的应用发展提供了帮助。(3)论文第五章,我们以苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)和己基噻吩(HT)单体作为电子给体单元,二酮吡咯并[3,4-c]吡咯(DPP)和四氟苯(TFB)作为电子受体单元,通过调控给体单元与受体单元间的比例,合成了三种窄带隙四元聚合物(PBDT-TFB2-DPP1-HT1、PBDT-TFB1-DPP2-HT1和PBDT-TFB1-DPP1-HT2),分别从分子结构、光学、热学和电化学对其进行测试分析,我们得到该类聚合物有着从300 nm到近红外光区域的宽吸收光谱范围,以及1.57 e V左右的窄带隙。实验结果还表明通过改变四氟苯的掺杂比例,可以调控材料在短波段的吸收强度。该系列新型四元聚合物给体材料有着良好的热稳定性,热失重5%对应的温度为335°C,同时还具有较低的能级,这为有机太阳能电池的发展提供了参考。 【关键词】：宽吸收光谱 给体材料 氟取代 有机光伏 四元共轭聚合物
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 有机太阳能电池的发展10-11
• 1.2 有机聚合物太阳能电池的主要结构和性能参数11-14
• 1.2.1 有机太阳能电池的主要结构11-12
• 1.2.2 有机太阳能电池的原理12
• 1.2.3 有机太阳能电池的性能参数12-14
• 1.3 有机太阳能电池的活性层材料14-24
• 1.3.1 活性层材料的发展14-16
• 1.3.2 具有D/A交替结构单元的共轭聚合物给体材料16-18
• 1.3.3 多元聚合物给体材料18-24
• 1.4 氟取代的聚合物给体材料24-27
• 1.5 本论文的设计思想和研究内容27-28
• 第二章 实验方法28-32
• 2.1 主要试剂及试剂的纯化28-29
• 2.2 主要仪器和设备29
• 2.3 器件的制备与性能测试手段29-32
• 2.3.1 器件的制备29-30
• 2.3.2 性能的测试30-32
• 第三章 基于D/3A型的氟取代四元聚合物给体材料的合成与性质及光伏性能表征32-46
• 3.1 引言32-33
• 3.2 聚合物的设计与合成33-34
• 3.3 结果与讨论34-45
• 3.3.1 光学性能34-36
• 3.3.2 热性能36
• 3.3.3 电化学性能36-37
• 3.3.4 光伏性能37-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 基于 2D/2A型的氟取代四元聚合物 给体材料的合成与性质46-54
• 4.1 引言46
• 4.2 聚合物的设计与合成46-48
• 4.3 结果与讨论48-51
• 4.3.1 光学性能48-49
• 4.3.2 热性能49-51
• 4.3.3 电化学性能51
• 4.4 本章小结51-54
• 第五章 基于 2D/2A型的四氟苯四元聚合物给体材料的合成与性质54-60
• 5.1 引言54
• 5.2 聚合物的设计与合成54-56
• 5.3 结果与讨论56-59
• 5.3.1 光学性能56
• 5.3.2 热性能56-58
• 5.3.3 电化学性能58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第六章 主要结论与创新点60-62
• 6.1 主要结论60
• 6.2 创新点60-62
• 参考文献62-70
• 致谢70-72
• 攻读硕士学位期间的研究成果72

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