基于咔唑的二维窄带隙共轭聚合物的设计、合成及其光伏性能研究

【摘要】：聚合物太阳电池（polymer solar cells, PSCs）由于其重量轻、成本低、柔性以及性能可调控等优点而倍受关注。尽管聚合物太阳电池的效率已超过10%，但要实现商业化生产，就需要进一步提高其效率。效率偏低的一个重要原因在于聚合物给体材料的吸收光谱与太阳光发射光谱不匹配。为了解决这个问题，科研工作者不断开发新的窄带隙共轭聚合物，继而提出“二维窄带隙共轭聚合物”这一分子设计概念，在这种类型的聚合物中，主链由富电子单元构成，将含有吸电子基的基团通过π桥与主链相连形成侧链。而且这种二维结构还能赋予材料多向同性的电荷传输性能。另外，该类聚合物的合成一般采用先聚合，后官能化的方式，这样得到的聚合物相对分子质量和分子量分布较相似，便于研究它们的结构与性能之间的关系。 聚咔唑类材料具有许多独特的优点。例如，它具有较高的空穴迁移率、较低的HOMO能级，使得基于聚咔唑衍生物的太阳电池器件的开路电压较高；另外，咔唑的N原子易于发生烷基链取代反应，可以显著增强聚合物的溶解性和可加工性。 本论文的目的就是要将咔唑优异的性能与二维共轭的分子设计策略结合起来，开发出性能优良的太阳电池给体材料。同时实现了材料的低能带隙、低HOMO能级。基于以上理论，我们合成了一系列基于2,7-咔唑和3,6-咔唑的二维窄带隙共轭聚合物P27CZSDCN, P27CZSDTA, P36CZSDCN, P36CZSDTA。并对其热性能和光电性能进行了系统的研究。与2,7-咔唑聚合物相比，3,6-咔唑聚合物的紫外-可见吸收光谱在短波区有蓝移现象，并且迁移率更低，这主要是由于3,6-咔唑的共轭被打断，形成了短程共轭。另一方面，3,6-咔唑聚合物在长波长区域由ICT引起的吸收峰出现轻微红移。同时，2,7-咔唑衍生物具有更高的空穴迁移率和更深的HOMO能级。 光伏器件测试结果表明，P27CZSDTA和P36CZSDTA与PC71BM组成的本体异质结聚合物太阳电池器件的能量转换效率分别达到2.47%和1.69%。这些研究结果表明P27CZSDTA有望成为一种性能优异的聚合物太阳电池给体材料。 【关键词】：聚合物太阳电池 体异质结 咔唑 二维窄带隙共轭聚合物
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O633.5;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-29
• 1.1 引言10-11
• 1.2 聚合物太阳电池的发展概况11-17
• 1.2.1 聚合物太阳电池的原理11-13
• 1.2.2 聚合物太阳电池器件结构13-16
• 1.2.3 聚合物太阳电池的性能参数16-17
• 1.3 聚合物太阳电池的给体材料17-26
• 1.3.1 聚对苯撑乙烯类18
• 1.3.2 聚噻吩类18
• 1.3.3 D-A 型窄带隙共轭聚合物18-24
• 1.3.4 二维窄带隙共轭聚合物24-26
• 1.4 高效聚合物太阳电池给体材料的设计思路26-27
• 1.5 本论文的研究内容及意义27-29
• 第二章 基于 2,7-咔唑和 3,6-咔唑的二维共轭聚合物的合成与结构表征29-40
• 2.1 引言29
• 2.2 实验部分29-40
• 2.2.1 原料与试剂29-31
• 2.2.2 材料的表征设备与仪器31
• 2.2.3 材料的合成31-40
• 第三章 聚合物太阳电池器件的制备与性能测试40-53
• 3.1 前言40
• 3.2 聚合物太阳电池器件的制备40-42
• 3.3 结果与讨论42-51
• 3.3.1 化合物的合成与表征42-43
• 3.3.2 聚合物的热稳定性43-44
• 3.3.3 聚合物的光吸收特性44-46
• 3.3.4 聚合物的电化学性质研究46-47
• 3.3.5 聚合物太阳电池的性能47-50
• 3.3.6 空穴迁移率50
• 3.3.7 共混形貌研究50-51
• 3.4 本章小结51-53
• 结论53-54
• 参考文献54-65
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果65-66
• 致谢66-67
• 附件67

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