含苯并二噻吩、苯并噻二唑的聚合物光伏材料的合成及性能研究

【摘要】：聚合物太阳能电池由于其本身价廉、质轻并可大面积制备的特点而受到了人们的广泛关注。近年来，在科研工作者的携手努力下，本体异质结聚合物太阳能电池(BHJ PSCs)的光电转换效率(PCE)已突破10%。然而PSCs要实现最终的商业化生产还存在诸多挑战。为了拓宽和增强光敏材料的吸收光谱、提高其电荷迁移率、调控其HOMO-LUMO能级，我们设计并合成了一系列含苯并噻二唑侧链的聚合物光伏材料。利用核磁、红外、飞行质谱等方法对所合成的物质进行了结构表征和确认，并利用紫外、荧光、循环伏安等测试方法，较系统地讨论了聚合物的光物理和电化学性能。同时，我们测试了基于所合成的聚合物所组装的BHJ PSCs的光伏性能，其主要结果如下： 1、设计并合成一个基于苯并二噻吩(BDT)和噻吩的共聚物，通过乙烯键把具有一定受电子能力的常用于主链的二己基噻吩并苯并噻二唑(DTBT)单元引入侧链，形成主链给体-侧链受体的新型共聚物PTG1，并系统地研究了DTBT侧链的引入对共聚物PTG1的热稳定性、光物理、电化学以及光伏性能的影响。PTG1具有非常好的成膜性，低的HOMO能级以及与受体材料PC71BM好的相容性。以PTG1/PC71BM (1:1w/w)制作的BHJ PSCs的光电转换效率达4.32%。 2、设计并通过Stille偶联、Wittig-Horner等一系列经典的有机反应，合成了三种新型的含不同共轭侧基的噻吩-苯并二噻吩共轭聚合物PT-ID, PT-DTBT和PT-DTBTID，并将其应用到聚合物太阳能电池中。随着共轭侧基长度的增加，其在紫外可见区域的吸收红移。这三个共轭聚合物都具有较低的HOMO能级以及较高的开路电压。以PT-ID, PT-DTBT和PT-DTBTID作为电子给体，PC61BM作为电子受体的BHJ PSCs的光电转换效率分别为2.48%,4.18%和1.16%。 3、我们设计并成功合成了一系列侧链含有DTBT和不同末端基团的低能隙聚合物。他们分别是以具有吸电子性能的醛基、氰基乙酸异辛酯、1,3-二乙基-2-硫代巴比妥酸基团作为侧链末端基团的聚合物PT-DTBTCHO、PT-DTBTCN、PT-DTBTDT和末端为2-甲基噻吩给电子基团的聚合物PT-DTBTMT。所有的聚合物都具有好的溶解性、成膜性和热稳定性。这些共轭聚合物具有宽的紫外-可见吸收光谱，其光化学带隙在1.65-1.90eV范围内。通过改变聚合物侧链的末端基团，能够较好地调控聚合物的光物理性能和分子轨道能级。这些聚合物与PC61BM所制备的PSCs器件的最高PCE为2.72%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 本体异质结 侧链 聚噻吩衍生物 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】：2012
【分类号】：O631.3;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 文献综述9-27
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 聚合物太阳能电池 (PSCs) 的研究进展10-16
• 1.2.1 聚合物太阳能电池工作原理10
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的器件结构10-12
• 1.2.3 影响聚合物太阳能电池效率的因素12-13
• 1.2.4 表征光伏性能的参数13-15
• 1.2.5 设计理想聚合物需具备的条件15-16
• 1.3 聚合物太阳能电池材料16-25
• 1.3.1 聚合物太阳能电池电极材料16
• 1.3.2 聚合物太阳能电池空穴传输层材料16-17
• 1.3.3 聚合物太阳能电池电子传输层材料17
• 1.3.4 聚合物太阳能电池电子给体材料17-24
• 1.3.5 聚合物太阳能电池电子受体材料24-25
• 1.4 论文的设计思想与研究内容25-27
• 第2章 侧链含苯并噻二唑的高效聚合物太阳能电池的研究27-38
• 2.1 引言27-28
• 2.2 实验部分28-31
• 2.2.1 试剂及测试条件和方法28
• 2.2.2 单体和聚合物的合成28-31
• 2.3 结果与讨论31-37
• 2.3.1 单体和聚合物的合成及结构表征31-32
• 2.3.2 聚合物的热性能32-33
• 2.3.3 共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱33-34
• 2.3.4 共聚物的电化学性能34
• 2.3.5 共聚物的光伏性能34-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 具有不同侧基的噻吩-苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩共聚物的合成及光伏性能研究38-50
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验部分39-43
• 3.2.1 试剂及测试条件和方法39
• 3.2.2 中间体和目标聚合物的合成39-43
• 3.3 结果与讨论43-49
• 3.3.1 合成路线的选择及目标聚合物的合成与表征43-44
• 3.3.2 聚合物的热稳定性44
• 3.3.3 聚合物的光物理性能44-46
• 3.3.4 聚合物的电化学性能46-47
• 3.3.5 共聚物的光伏性能研究47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 侧链含不同吸电子、给电子末端基团的聚合物光伏材料的合成及性能研究50-63
• 4.1 引言50-51
• 4.2 实验部分51-55
• 4.2.1 试剂及测试条件和方法51
• 4.2.2 单体和聚合物的合成51-55
• 4.3 结果与讨论55-62
• 4.3.1 单体和聚合物的合成及结构表征55-57
• 4.3.2 聚合物的热性能57-58
• 4.3.3 聚合物的光物理性能58-59
• 4.3.4 聚合物的电化学性能59-60
• 4.3.5 共聚物的光伏性能60-62
• 4.4 本章小结62-63
• 总结与展望63-64
• 参考文献64-71
• 致谢71-72
• 附录A 试剂、药品及其纯化方法72-74
• 附录B 仪器及测试条件和方法74-75
• 在校期间发表论文情况75

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