D-A型聚合物的合成及其光伏性能研究

【摘要】：近些年来,聚合物太阳能电池因为具有质量轻、可大面积制备、成本低廉以及柔韧可弯曲等优点而引起了研究者的广泛关注,并成为研究热点。但受限于开路电压(Voc)较低、载流子迁移率低、吸收光谱与太阳光谱匹配差等因素,聚合物太阳能电池离实际应用还有一定的距离。引进给电子单体-吸电子单体(donor-Acceptor, D-A)共轭聚合物光伏材料能降低带隙,增强对红外区和近红外区太阳光的吸收,从而有利于提高太阳能电池器件的能量转换效率。梯形稠环芳烃具有低的最高占有分子轨道(highe st occupied molecular orbital, HOMO)能级和高空穴迁移率等优点,如果利用它们制备D-A共轭聚合物,将有助于提高相应光伏器件的Voc和短路电流密度(Jsc),最终提高聚合物太阳能电池的效率。本论文围绕二萘并对称引达省衍生D-A聚合物的设计合成、表征和光伏性能研究来展开工作。论文的第一章综述了聚合物太阳能电池的研究进展论文的第二章设计合成了二萘并对称引达省基给电子单体,并分别与4,7-二(5-溴-2-噻吩基)-2,1,3-苯并噻二唑、4,7-二(5-溴噻吩-2-基)-5,6-二(丁氧基)苯并噻二唑、5,6-二氟-4,7-二(5-溴-2-噻吩基)-2,1,3-苯并噻二唑和5,8-二(5-溴噻吩-2-基)-2,3-二苯基喹啉等吸电子单体通过Suzuki偶联反应聚合制备一系列共轭聚合物(PF11, PF12, PF13和PF 14)。利用核磁共振氢谱、核磁共振碳谱、高分辨质谱、元素分析仪对合成产物进行表征以确定其结构,采用凝胶渗透色谱表征聚合物的分子量和分子量分布,使用紫外-可见分光光度计和电化学工作站对目标聚合物的光学性能、电化学性能进行测试分析。结果表明,本研究所制备的四个聚合物都具有低的HOMO能级,范围为-5.59～-5.72 eV,光学带隙分别为1.96、2.00、2.02和2.09 eV,表明该类聚合物有潜力成为光敏活性材料应用于聚合物太阳能电池论文的第三章以合成的二萘并对称引达省衍生共聚物作为p型半导体材料,与富勒烯衍生物PC71BM混合制备本体异质结聚合物太阳能电池器件,通过调控活性材料的配比、活性层的厚度等方法来优化器件的光伏性能,使用太阳光模拟系统、原子力显微镜、空间电荷限制电流方法研究目标聚合物的结构与太阳能电池光伏性能的关系。结果表明：PF11和PF13分别与PC71BM混合制备的薄膜具有较大的空穴迁移率,分别为5.14×10-5和1.45×10-4 cm2/(Vs)。基于此四个聚合物的太阳能电池器件都具有良好的稳定性和高的开路电压值。其中,用PF11与PC71BM按质量比1：4混合制备的光伏器件性能最好,其效率达到3.07%, 同时Voc为0.99V,Jsc为7.85 mA/cm2,填充因子.为39.5%。论文的第四章和第五章初步探索了另外两个新型环戊二噻吩基和茚并芴基给电子单体的合成与光伏应用论文的第六章对本论文的主要研究成果进行了总结。 【关键词】：二萘并对称引达省 高开路电压 本体异质结 聚合物太阳能电池
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-11
• 第一章 引言11-35
• 1.1 引言11
• 1.2 聚合物太阳能电池工作原理11-13
• 1.3 聚合物太阳能电池发展简史13-16
• 1.4 聚合物太阳能电池的性能参数16-19
• 1.4.1 电流密度-电压曲线17
• 1.4.2 短路电流密度17-18
• 1.4.3 开路电压18
• 1.4.4 填充因子18-19
• 1.4.5 能量转换效率19
• 1.4.6 最大输出功率19
• 1.4.7 外量子效率19
• 1.5 聚合物太阳能电池的结构19-25
• 1.5.1 单层结构20
• 1.5.2 双层结构20-21
• 1.5.3 本体异质结结构21-22
• 1.5.4 串联结构22-23
• 1.5.5 并联结构23-24
• 1.5.6 倒置结构24-25
• 1.6 聚合物太阳能电池常用材料25-33
• 1.6.1 p型半导体材料25-31
• 1.6.2 n型材料31-32
• 1.6.3 界面层材料32
• 1.6.4 电极材料32-33
• 1.7 本论文的研究内容33-34
• 1.8 本论文创新点34-35
• 第二章 二萘并对称引达省基D-A型聚合物的合成与表征35-52
• 2.1 引言35
• 2.2 实验器材及方法35-38
• 2.2.1 药品试剂35-37
• 2.2.2 实验仪器设备37
• 2.2.3 测试方法37-38
• 2.3 合成路线38-39
• 2.4 二萘并对称引达省基给电子单体的合成39-42
• 2.4.1 化合物1的合成39-40
• 2.4.2 化合物DNI的合成40
• 2.4.3 化合物2的合成40-41
• 2.4.4 单体Bo-DNI的合成41-42
• 2.5 二萘并对称引达省基聚合物的合成42-45
• 2.5.1 聚合物PF11的合成42-43
• 2.5.2 聚合物PF12的合成43-44
• 2.5.3 聚合物PF13的合成44
• 2.5.4 聚合物PF14的合成44-45
• 2.6 合成结果与讨论45-46
• 2.7 二萘并对称引达省基聚合物的测试表征46-50
• 2.7.1 聚合物的紫外可见吸收光谱47-48
• 2.7.2 聚合物的循环伏安曲线48-50
• 2.8 本章小结50-52
• 第三章 二萘并对称引达省基聚合物的光伏性能研究52-63
• 3.1 引言52
• 3.2 聚合物太阳能电池的制备52-55
• 3.2.1 药品试剂52-53
• 3.2.2 仪器设备53
• 3.2.3 聚合物太阳能电池的一般制备过程53-54
• 3.2.4 二萘并对称引达省基聚合物太阳能电池的制备54-55
• 3.2.5 聚合物太阳能电池的性能测试55
• 3.3 二萘并对称引达省基聚合物太阳能电池性能测试结果与讨论55-62
• 3.3.1 聚合物的空穴迁移率55-56
• 3.3.2 光敏活性层旋涂速率对聚合物光伏性能的影响56-58
• 3.3.3 聚合物的最优光伏性能归纳58-60
• 3.3.4 聚合物太阳能电池活性层形貌与相分离60-61
• 3.3.5 聚合物太阳能电池效率稳定性61-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第四章 环戊二噻吩基D-A型聚合物的合成及光伏性能的初步研究63-74
• 4.1 引言63
• 4.2 实验器材及方法63-65
• 4.2.1 药品试剂63-64
• 4.2.2 仪器设备64-65
• 4.3 合成路线65-66
• 4.4 环戊二噻吩基给电子单体的合成66-67
• 4.4.1 化合物7的合成66
• 4.4.2 化合物8的合成66-67
• 4.4.3 单体DTF的合成67
• 4.5 环戊二噻吩基聚合物的合成67-68
• 4.5.1 聚合物PF21的合成67
• 4.5.2 聚合物PF22的合成67-68
• 4.5.3 聚合物PF23的合成68
• 4.6 合成结果与讨论68-69
• 4.7 基于环戊二噻吩基聚合物太阳能电池的制备69-70
• 4.8 光敏活性层旋涂速率对聚合物光伏性能的影响70-71
• 4.9 光敏活性层配比和添加剂对PF23光伏性能的影响71-72
• 4.10 PF21-PF23的最优光伏性能归纳72-73
• 4.11 本章小结73-74
• 第五章 茚并芴基D-A型聚合物的合成及光伏性能的初步研究74-82
• 5.1 引言74
• 5.2 实验器材及方法74-76
• 5.2.1 药品试剂74-76
• 5.2.2 仪器设备76
• 5.3 合成路线76-77
• 5.4 茚并芴基给电子单体的合成77-78
• 5.4.1 化合物13的合成77-78
• 5.4.2 化合物14的合成78
• 5.4.3 单体IHe的合成78
• 5.5 茚并芴基聚合物的合成78-79
• 5.6 合成结果与讨论79
• 5.7 茚并芴基聚合物太阳能电池的制备79
• 5.8 PF3的光伏性能归纳79-80
• 5.9 本章小结80-82
• 总结与展望82-84
• 工作总结82-83
• 进一步工作展望83-84
• 参考文献84-94
• 作者简历94-95
• 致谢95

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