基于苯并二噻吩和喹喔啉的新型共轭聚合物的合成及光伏性能研究

【摘要】：本论文系统介绍了二元和三元共轭聚合物太阳能电池的研究现状。针对目前共轭聚合物光伏给体材料合成难度大、稳定性差和效率偏低等关键科学问题,设计合成了三类新颖的基于苯并[1,2-b:4,5-b?]二噻吩(BDT)和喹喔啉衍生物的共轭聚合物光伏给体材料。通过核磁共振氢谱、碳谱和飞行质谱等方法对聚合物单体和目标聚合物的化学结构进行了表征,系统研究了聚合物的热稳定性能、光物理性能和电化学性能等;以这些聚合物为给体材料,制做了本体异质结聚合物太阳能光伏器件,并对它们的光伏性能进行了系统研究。本论文的主要研究内容为:1)合成了一个基于二维结构的噻吩基取代的苯并[1,2-b:4,5-b?]二噻吩(BDTT)为给体单元、喹喔啉衍生物Qx-3为受体单元的共轭聚合物PBDTDT(Qx-3)-T。系统研究了喹喔啉上不同的取代侧链对以BDTT-alt-Qx为骨架聚合物的吸收光谱、电化学能级、SCLC空穴迁移率以及光伏性能的影响。研究结果表明:在以BDTT-alt-Qx为骨架的聚合物中,对喹喔啉单元进行侧链修饰能够很好的调控聚合物的相关性能。作为结果,PBDTDT(Qx-3)-T显示了较小的光学带隙(1.78 eV)、较低的HOMO能级(-5.51 eV)和较高的空穴迁移率(2.19?10-4 cm2 V-1 s-1)。基于聚合物PBDTDT(Qx-3)-T与PC71BM的太阳能电池能量转换效率达到6.9%。2)合成了以苯并[1,2-b:4,5-b?]二噻吩(BDT)或BDTT为给体单元、菲并[4,5-abc]吩嗪(PPz)为受体单元的两个新型共轭聚合物PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT。系统研究了BDT上取代基的改变、以及刚性大π平面稠环PPz的引入对聚合物PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT的吸收光谱、电化学能级、SCLC空穴迁移率以及光伏性能的影响。研究结果表明:由于PPz的引入,PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT都表现出了较小的光学带隙(1.70 eV和1.59 eV)、较低的HOMO能级(-5.29 eV和-5.34 eV)和较高的SCLC空穴迁移率(1.88×10-4 cm2V-1 s-1和2.17×10-4 cm2 V-1 s-1)。基于PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT与PC71BM的太阳能电池能量转换效率分别达到4.25%和4.86%。3)合成了以BDTT为给体单元、PPz为第一受体单元、苯并[c][1,2,5]噻二唑(BT-H)、5,6-二氟苯并[c][1,2,5]噻二唑(BT-F)和5,6-二辛氧基苯并[c][1,2,5]噻二唑(BT-O)为第二受体单元的三个无规三元共聚物PBDTT-PPz BT-H、PBDTT-PPzBT-F和PBDTT-PPzBT-O。系统研究了在第二受体BT的5,6号位置引入不同取代基团对三元共聚物的吸收光谱、电化学能级、SCLC空穴迁移率以及光伏性能的影响。研究结果表明:在BT的5,6号位置上引入不同的取代侧链对三元共聚物的相关性能影响很大,其中共聚物PBDTT-PPz BT-F表现出了最小的光学带隙(1.56eV)和最低的HOMO能级(-5.32 eV)。基于PBDTT-PPzBT-H、PBDTT-PPzBT-F和PBDTT-PPzBT-O与PC71BM的太阳能电池能量转换效率分别达到4.5%、5.5%和6.3%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 苯并[1 2-b:4 5-b']二噻吩 喹喔啉 菲并[4 5-abc]吩嗪 苯并[c][1 2 5]噻二唑
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O633.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 聚合物太阳能电池简介11-14
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的工作原理12
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的性能参数12-14
• 1.3 聚合物太阳能电池材料的研究进展14-22
• 1.3.1 基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩给体单元的共聚物14-16
• 1.3.2 基于喹喔啉衍生物受体单元的共聚物16-17
• 1.3.3 基于吩嗪类衍生物受体单元的共聚物17-18
• 1.3.4 基于苯并噻二唑受体单元的共聚物18-20
• 1.3.5 三元共聚物20-22
• 1.4 本论文的设计思路、研究内容和创新点22-25
• 1.4.1 该论文的主要设计思想是22-23
• 1.4.2 该论文主要的研究内容是23-24
• 1.4.3 本论文的创新点：分子结构的设计创新24-25
• 第2章 基于苯并二噻吩和 6,7-二辛氧基取代喹喔啉的聚合物的合成及光伏性能研究25-36
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-28
• 2.2.1 原料、试剂、仪器和测量方法26
• 2.2.2 聚合物的合成路线及具体实验26-28
• 2.3 结果与讨论28-35
• 2.3.1 材料的合成和结构表征28-29
• 2.3.2 光学性质29-31
• 2.3.3 电化学性质31
• 2.3.4 空穴迁移率31-32
• 2.3.5 光伏性质32-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 基于苯并二噻吩和 11,12-二辛氧基菲并[4,5-abc]吩嗪的聚合物的合成及光伏性能研究36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 实验部分36-39
• 3.2.1 原料、试剂、仪器和测量方法36-37
• 3.2.2 聚合物的合成路线及具体实验37-39
• 3.3 结果与讨论39-47
• 3.3.1 材料的合成和结构表征39-41
• 3.3.2 光学性质41-42
• 3.3.3 电化学性质42-43
• 3.3.4 空穴迁移率43-44
• 3.3.5 光伏性质44-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 基于苯并二噻吩、菲并吩嗪和苯并噻二唑的三元共聚物的合成及光伏性能研究48-60
• 4.1 引言48-49
• 4.2 实验部分49-50
• 4.2.1 原料、试剂、仪器和测量方法49
• 4.2.2 聚合物的合成路线及具体实验49-50
• 4.3 结果与讨论50-59
• 4.3.1 材料的合成和结构表征50-52
• 4.3.2 光学性质52-54
• 4.3.3 电化学性质54-55
• 4.3.4 空穴迁移率55-56
• 4.3.5 光伏性质56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 总结与展望60-61
• 附录I 原料、试剂的来源及其处理方法61-62
• 附录II 仪器及其测量方法62-63
• 参考文献63-77
• 致谢77-78
• 附录 核磁共振和质谱表征图78-88
• 硕士研究生发表论文情况88-90

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