基于苯并二噻吩和吡咯并吡咯二酮的共聚物光伏材料的合成及性能研究

【摘要】：聚合物太阳能电池(PSCs)具有潜在的商业发展优势，如：能有效地降低成本、基板柔性、重量轻等。因此，PSCs的研究和发展受到社会各界的广泛关注。近年来，本体异质结聚合物太阳能电池(BHJ PSCs)在研究者们的共同努力下，取得了飞跃式的发展，其能量转换效率(PCE)已超过10%。但是要真正实现其商业化，还有许多困难需要克服。为了获得高的能量转换效率，我们以拓宽光谱、增强吸收、调控HOMO-LUMO能级、提高空穴迁移率等为目的，设计并合成了一系列含苯并二噻吩(BDT)和吡咯并吡咯二酮(DPP)的聚合物太阳能电池给体材料。同时，采用核磁共振、红外光谱、飞行时间质谱等测试方法对所合成的中间化合物及目标聚合物进行了结构表征，并利用紫外-可见吸收光谱、循环伏安法等测试方法，较系统地研究了这些聚合物的光物理及电化学性能。同时，我们以所合成的聚合物作为电子给体材料，富勒烯衍生物(PC61BM)作为电子受体材料，制备了本体异质结聚合物太阳能电池，并对其光伏性能进行了测试，其主要结果如下： 1、以苯并二噻吩(BDT)或烷基噻吩取代的苯并二噻吩(BDTT)和吡咯并吡咯二酮(DPP)的二元共聚物为基础，将含有苯并噻二唑侧链(TDTBT)基元引入到聚合物骨架，合成了两个三元共聚物P1和P2。同时，运用紫外-可见吸收光谱、循环伏安法等对这两个聚合物的光物理和电化学性能进行了测试。结果表明，两个三元共聚物的吸收光谱都得到了有效的拓宽，并且它们的HOMO能级得到了优化。基于所合成的这两个三元共聚物的BHJ PSCs得到的能量转换效率均高于两个二元共聚物，对应的PCE分别为5.05%和4.85%。 2、在含有烷基噻吩取代的苯并二噻吩和吡咯并吡咯二酮的二元共聚物(PBDTT-DPP)的基础上，将含异靛侧链(TID)的基元引入共聚物骨架，合成了一系列的三元共聚物。通过改变DPP和TID两个单元的比例，所得到的三元共聚物的紫外-可见吸收光谱和HOMO能级得到了很好的调节，从而获得了高达15mA cm-2的短路电流和0.76V的开路电压。最终，基于所合成的共聚物P5(DPP:TID=1:1)和PC61BM的BHJ PSCs获得了最高为5.62%的能量转换效率。 【关键词】：聚合物太阳能电池 三元共聚物 吸收光谱 HOMO能级 光伏性能
【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】：O631.2;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 聚合物太阳能电池的研究进展9-14
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的发展历史9-10
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的器件结构10-12
• 1.2.3 本体异质结聚合物太阳能电池光伏性能的重要参数12-14
• 1.3 聚合物太阳能电池材料14-21
• 1.3.1 聚合物太阳能电池给体材料14-20
• 1.3.2 聚合物太阳能电池电子受体材料20-21
• 1.4 论文的设计思想和研究内容21-23
• 第2章 含吡咯并吡咯二酮和苯并噻二唑侧链共聚物的合成及光伏性能研究23-40
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验部分24-31
• 2.2.1 实验试剂、药品、测试条件及方法24
• 2.2.2 单体和共聚物的合成24-31
• 2.3 结果与讨论31-39
• 2.3.1 单体和共聚物的合成与表征31-32
• 2.3.2 器件结构32
• 2.3.3 共聚物的热性能32-33
• 2.3.4 共聚物的光物理性能33-34
• 2.3.5 共聚物的电化学性能34-36
• 2.3.6 共聚物的表面形貌36
• 2.3.7 共聚物的光伏性能36-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 含吡咯并吡咯二酮和异靛侧链共聚物的合成及光伏性能研究40-53
• 3.1 引言40-41
• 3.2 实验部分41-45
• 3.2.1 实验试剂、药品、测试条件及方法41
• 3.2.2 共聚物的合成41-45
• 3.3 结果与讨论45-52
• 3.3.1 共聚物的热性能45-46
• 3.3.2 共聚物的光物理性能46-47
• 3.3.3 共聚物的电化学性能47-48
• 3.3.4 共聚物的表面形貌48-49
• 3.3.5 共聚物的空穴迁移率49
• 3.3.6 共聚物的光伏性能49-52
• 3.4 本章小结52-53
• 总结与展望53-55
• 总结53-54
• 展望54-55
• 参考文献55-60
• 致谢60-61
• 附录 A 试剂、药品及其纯化方法61-63
• 附录 B 仪器及测试条件及方法63-64
• 在校期间发表论文情况64

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