基于苯并三噻吩光伏材料的合成及性能研究

【摘要】：能源危机迫使人类对清洁能源的利用进行研究，太阳能的利用被认为是解决人类未来能源的有效途径。当前，有机太阳能电池已成为各国研究的热点，但是其能量转化效率仍未达到商业化应用标准，因此需要更多研究与探索。近年来的研究表明，苯并三噻吩(BTT)被认为是一种有效的给体结构单元。本论文采用一种新型的苯并三噻吩异构体作为给体结构单元，制备得到了聚合物和小分子光伏材料，并对其进行了结构表征和相关性能测试。 1．以1,3,5-三氯苯为原料，经傅克反应和还原反应后得到中间体1,3,5-三氯-2,4,6-三醛基苯，然后用巯基乙酸乙酯进行合环，所得产物经过水解和高温脱羧，得到苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-b'']三噻吩，并将其制备成含双边锡试剂的单体5,8-二(三甲基锡)-2-辛基苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-b'']三噻吩(M1)。同时，我们以2,3-二溴噻吩为原料，经傅克反应和Stille偶联反应所得的中间体用2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌(DDQ)和三氟化硼乙醚进行合环，进而制备得到了M1的同分异构体5,8-二(三甲基锡)-2-辛基苯并[1,2-b:3,4-b':6,5-b'']三噻吩(M2)。将M1和M2与带双溴的二己基噻吩苯并噻二唑(DTBT)进行聚合分别得到聚合物P1和P2，通过对P1和P2的性质的对比来探索苯并三噻吩同分异构体的结构差异对聚合物性能的影响。P1因其溶解性优于P2，故更容易制得高分子量的聚合物，并提高了其溶液可加工性。尽管P1的吸收光谱比P2蓝移了35nm，但其短路电流密度却略高，同时，P1具有更低的HOMO能级，因而其PSC的开路电压比P2高了0.1V，故P1器件的能量转化效率高于P2器件，为0.78%。 2．我们将具有更低HOMO能级的苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-b'']三噻吩作为给体结构单元，以3-乙基绕丹宁作为末端受体结构单元来制备A-D-A型小分子光伏材料，通过采用二噻吩或三噻吩衍生物作为π共轭桥来调节分子的自组装和堆积结构，从而制备得到了小分子D1和D2。研究结果表明，D1较D2具有更高的摩尔吸收系数，且在固体膜状态下具有明显的J型聚集，导致D1的吸收光谱拓宽和红移；同时，D2膜的荧光强度只有D1膜的1/7，这表明D2膜存在明显的荧光淬灭或激子失活，且D1、D2和PC61BM之间存在有效的电荷转移。当采用氯苯作为溶剂，D1/PC61BM为1:2时，基于D1的光伏器件获得了0.99V的开路电压，但是短路电流密度不高，故其能量转换效率只有0.83%。然而，采用三氯甲烷作为溶剂，D1/PC61BM为1:0.5时，开路电压提高到了1.10V，填充因子达到了0.45，其能量转化效率提高到2.1%。 【关键词】：本体异质结太阳能电池 苯并三噻吩 同分异构体 聚集态结构
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O633.5;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 文献综述9-23
• 1.1 研究背景9
• 1.2 OPVs 研究进展9-11
• 1.2.1 OPVs 的器件结构9-11
• 1.2.2 OPVs 的工作原理11
• 1.3 OPVs 的重要参数11-13
• 1.4 OPVs 的光活性层材料13-21
• 1.4.1 OPVs 的受体材料13
• 1.4.2 聚合物给体材料13-19
• 1.4.3 小分子的太阳能电池的给体材料19-21
• 1.5 本论文的设计思想及研究内容21-23
• 第2章 基于两种苯并三噻吩同分异构体的聚合物的合成及性能研究23-39
• 2.1 引言23
• 2.2 实验部分23-32
• 2.2.1 试剂和测试方法23-24
• 2.2.2 单体和聚合物的合成24-32
• 2.3 结果与讨论32-37
• 2.3.1 聚合物的合成与结构表征32
• 2.3.2 聚合物的热性能32-33
• 2.3.3 聚合物的光物理性能33-35
• 2.3.4 聚合物的电化学性能35-36
• 2.3.5 聚合物的光伏性能36-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第3章 基于苯并三噻吩的 A-D-A 型小分子的合成及性能研究39-54
• 3.1 引言39
• 3.2 实验部分39-48
• 3.2.1 试剂和测试方法39-40
• 3.2.2 小分子的合成40-48
• 3.3 结果与讨论48-53
• 3.3.1 目标小分子的合成路线与表征48
• 3.3.2 目标小分子的光物理性质48-50
• 3.3.3 目标小分子的电化学性能50-51
• 3.3.4 目标小分子的光伏性能51-53
• 3.4 本章小结53-54
• 总结与展望54-55
• 参考文献55-60
• 致谢60-61
• 附录 A 所有试剂及其纯化处理方法61-63
• 附录 B 所有仪器的测试条件及方法63-64
• 攻读硕士期间发表的论文情况64

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