新型给体—受体共轭聚合物的设计、合成及其有机光伏太阳能电池性能研究

【摘要】：有机太阳能电池材料主要具有这些优点：重量轻，可制作柔性器件，易于通过化学结构的修饰来调控相应器件的性能。作为一类特殊的有机材料，聚合物太阳能电池材料除了具备以上这些有机材料的优点之外，还具有一个非常重要的特点：可溶液加工。典型的溶液加工方法主要包括：喷墨打印和旋涂。溶液加工方法的使用能大大降低加工成本，同时易于制作大面积器件。因此，聚合物太阳能电池材料可溶液加工的这一优点尤其受到工业界的关注。许多聚合物被合成，并且被成功的用作本体异质结（BHJ）聚合物太阳能电池（PSC）活性层中的电子给体材料，取得了高能量转化效率（PCE）。设计和合成新的单体，从而合成新的低能带隙聚合物是这一领域重要的研究方向之一；目的是合成具有良好光物理性能和电化学性能的全新聚合物，进而被用作本体异质结聚合物太阳能电池活性层中的电子给体材料，来达到研究材料的化学结构和光伏器件性能间关系的目的，这将对今后合理设计此类材料提供非常重要的帮助。本论文的内容是设计和合成全新的用于聚合物太阳能电池活性层的电子给体材料，主要内容包括： 1.第二章的工作中，设计和合成了均苯四甲酰二亚胺单体（BDI），以及基于这个单体的三个共轭聚合物PTBDI，PTTBDI和PBBDI。三个新聚合物的光学和电化学性能得到了表征。这三个聚合物没能被成功用作半导体器件材料。尽管如此，对基于BDI的聚合物与其基于NDI、PDI相似物的光学和电化学性能的比较，使我们加深了对具有类似化学结构的材料性质的理解，将会对以后设计更理想的共轭聚合物材料提供有益的指导。 2.第三章的工作中，基于合成并环戊二烯（pentalene）衍生物的最新进展，将并环戊二烯（pentalene）单元引入到共轭聚合物的设计与合成中，设计并合成了基于并环戊二烯的全新单体——二噻吩并[a,e]并环戊二烯。基于该单体，合成了两个新共轭聚合物，并研究了它们的热性能、光学性能和电化学性能，对并环戊二烯（pentalene）单元在有机半导体领域的应用潜力进行了探索，为各类有机半导体器件提供了一类新的共轭聚合物材料。 3.第四章的工作中，采用新的共轭聚合物构建单元——2，5-二呋喃噻唑并[5,4-d]噻唑（DFTT）为受体单元，烷氧基取代的苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩（BDTO）和2，3-二烷基噻吩取代的苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩（BDTT）作为给体单元，来合成新的D-A共轭聚合物PBDTODFTT和PBDTTDFTT，对它们的热学性能、光学性能和电化学性能进行了比较和研究。基于两个材料的聚合物太阳能电池器件被制作并研究和比较。基于PBDTODFTT和PBDTTDFTT的器件的能量转化效率分别达到1.87%和3.06%。 4.第五章工作中，我们设计和合成了两个新的苯并二呋喃单体：苯并[1,2-b:5,4-b’]二呋喃（syn-BDF）和苯并[1,2-b:4,5-b’]二呋喃（anti-BDF），两个苯并二呋喃单体都被设计为中心苯环上不含具有推电子效应的烷氧基，这样设计的目的就是为了尽量降低相应聚合物的HOMO能级。在此基础上将他们与二氧吡咯噻吩共聚，得到两个新的共轭聚合物syn-PBDFDPT和anti-PBDFDPT，但是anti-PBDFDPT溶解性差，导致对其的后续研究不能进行。因此，我们对syn-PBDFDPT的光学、电化学和热学性能进行了研究。基于syn-PBDFDPT的聚合物太阳能电池器件被制作并被初步研究。基于syn-PBDFID的两个器件的能量转化效率只达到0.021%和0.014%。在此基础上，为了改进材料的性能，合成了以syn-BDF和anti-BDF为给体单元，以异靛蓝为受体单元的新聚合物syn-PBDFID和anti-PBDFID，异靛蓝单体的使用有效延长了材料的吸收波长，同时增加了材料的溶解性。我们对两个新共轭聚合物的光学、电化学和光伏性能进行了研究。syn-PBDFID比anti-PBDFID具有更低的HOMO能级；在相应的光伏器件中，syn-PBDFID比anti-PBDFID得到了更高的开路电压（Voc）。基于syn-PBDFID和anti-PBDFID的器件的能量转化效率分别达到1.44%和0.65%。 【关键词】：有机光伏太阳能电池 给体-受体共轭聚合物 低能带隙聚合物 本体异质结 电子给体材料 电子受体材料
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O631.3
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-12
• 第一章 绪论12-55
• 1.1 聚合物太阳能电池的发展历程13-14
• 1.2 聚合物太阳能电池的工作机理14-16
• 1.3 聚合物太阳能电池的器件结构16-17
• 1.4 聚合物太阳能电池的表征17-19
• 1.5 聚合物太阳能电池材料19-42
• 1.5.1 活性层材料的基本设计规则19-22
• 1.5.2 电子给体材料22-40
• 1.5.2.1 聚烷基噻吩类材料22-25
• 1.5.2.2 聚对苯撑乙烯（PPV）及其衍生物类材料25
• 1.5.2.3 低能带隙材料25-40
• 1.5.3 电子受体材料40-42
• 1.5.3.1 足球烯衍生物和单壁碳纳米管[102]40-41
• 1.5.3.2 共轭有机小分子和大分子41-42
• 1.6 本论文的设计思路和主要内容42-45
• 参考文献45-55
• 第二章 含均苯四甲酰二亚胺的共轭聚合物的合成及其光电性能的研究55-73
• 2.1 引言55-56
• 2.2 实验部分56-60
• 2.2.1 实验原料56-57
• 2.2.2 表征仪器57
• 2.2.3 单体和聚合物的合成57-60
• 2.3 结果与讨论60-67
• 2.3.1 合成与表征60-61
• 2.3.2 聚合物的热性能61-62
• 2.3.3 聚合物的光学性能62-65
• 2.3.4 聚合物的电化学性能65-66
• 2.3.5 半导体器件测试情况66-67
• 2.4 结论67-68
• 参考文献68-73
• 第三章 基于二噻吩并[a,e]并环戊二烯单元的共轭聚合物的合成及其光电性能的研究73-90
• 3.1 引言73-75
• 3.2 实验部分75-79
• 3.2.1 实验原料75
• 3.2.2 表征仪器75-76
• 3.2.3 单体和聚合物的合成76-79
• 3.3 结果与讨论79-85
• 3.3.1 合成与表征79-80
• 3.3.2 聚合物的热性能80-81
• 3.3.3 聚合物的光学性能81-84
• 3.3.4 聚合物的电化学性能84-85
• 3.3.5 半导体器件测试情况85
• 3.4 结论85-87
• 参考文献87-90
• 第四章 基于苯并二噻吩单元和噻唑并噻唑单元的共轭聚合物的合成及其光伏性能研究90-113
• 4.1 引言90-91
• 4.2 实验部分91-96
• 4.2.1 实验原料91
• 4.2.2 表征仪器91-92
• 4.2.3 太阳能电池器件制作和空穴迁移率的测量92-94
• 4.2.4 单体和聚合物的合成94-96
• 4.3 结果与讨论96-107
• 4.3.1 合成与表征96-97
• 4.3.2 聚合物的热性能97-98
• 4.3.3 聚合物的光学性能98-99
• 4.3.4 聚合物的电化学性能99-101
• 4.3.5 聚合物的光伏性能101-106
• 4.3.6 聚合物的形貌106-107
• 4.4 结论107-108
• 参考文献108-113
• 第五章 基于syn-苯并二呋喃和anti-苯并二呋喃单元的共轭聚合物的合成及其光伏性能研究113-144
• 5.1 基于syn-苯并二呋喃和anti-苯并二呋喃单元及二氧吡咯噻吩单元的共轭聚合物的合成及其光伏性能研究113-125
• 5.1.1 引言113-115
• 5.1.2 实验部分115-119
• 5.1.2.1 实验原料115
• 5.1.2.2 表征仪器115-116
• 5.1.2.3 太阳能电池器件制作116
• 5.1.2.4 单体和聚合物的合成116-119
• 5.1.3 结果与讨论119-125
• 5.1.3.1 合成与表征119-120
• 5.1.3.2 聚合物的热性能120
• 5.1.3.3 聚合物的光学性能120-122
• 5.1.3.4 聚合物的电化学性能122-123
• 5.1.3.5 聚合物的光伏性能123-125
• 5.2 基于syn-苯并二呋喃和anti-苯并二呋喃单元及异靛蓝单元的共轭聚合物的合成及其光伏性能研究125-139
• 5.2.1 引言125-126
• 5.2.2 实验部分126-129
• 5.2.2.1 实验原料126
• 5.2.2.2 表征仪器126-127
• 5.2.2.3 太阳能电池器件制作127-128
• 5.2.2.4 单体和聚合物的合成128-129
• 5.2.3 结果与讨论129-139
• 5.2.3.1 合成与表征129-130
• 5.2.3.2 聚合物的热性能130
• 5.2.3.3 聚合物的光学性能130-133
• 5.2.3.4 聚合物的电学性能133-135
• 5.2.3.5 聚合物的光伏性能135-138
• 5.2.3.6 聚合物的形貌138-139
• 5.3 结论139-140
• 参考文献140-144
• 第六章 全文总结144-146
• 附录 核磁氢谱以及碳谱谱图146-162
• 攻读博士学位期间发表的论文以及申请的专利162-163
• 致谢163-165

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

有机太阳能电池研究进展    徐明生,季振国,阙端麟,汪茫,陈红征

聚合物太阳能电池高效共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料    李永舫;

聚合物场效应晶体管材料及其器件    李荣金;李洪祥;周欣然;胡文平;

基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展    密保秀;高志强;邓先宇;黄维;

有机场效应晶体管研究和应用进展    肖恺,于贵,刘云圻,朱道本

有机太阳能电池用聚合物给体材料的研究进展    叶怀英;李文;李维实;

CuPc-PCTDA有机薄膜太阳电池性能模拟与结构优化    姜冰一;郑建邦;孙肖芬;王春峰;

有机半导体材料并五苯薄膜的生长    吴沛,王耀,庞叔鸣,徐春祥,崔一平

有机光伏材料与器件研究的新进展    张霄;

热处理方式对聚合物太阳能电池光电特性的影响    陈雄;刘银春;阮凯斌;魏芬;刘佳;

有机太阳能电池研究进展    林鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王丽

有机场效应晶体管的数值研究    张旭;张旭辉;张福甲;

缓冲层在有机太阳能电池中的应用    刘春波;张实;王龙;刘洋;刘敏;车广波;苏斌;徐占林;

聚合物场效应晶体管材料及其器件    李荣金;李洪祥;周欣然;胡文平;

水溶性共轭聚合物研究与应用进展    徐巍栋;赖文勇;范曲立;黄维;

太阳能电池的研发进展    张亮;

有机薄膜的场效应非线性电阻特性    蔡永挚;郭鹏;刘春明;吕银祥;徐伟;潘星龙;华中一;

PEDOT:PSS薄膜的掺杂改性及其在有机太阳能电池中的应用研究    李蛟

窄带隙共轭聚合物的制备与光伏性能研究    邓丹

基于氧化石墨烯/聚合物光伏特性的研究    刘智勇

超高真空有机分子薄膜生长实时原位荧光显微方法与系统    鄢志丹

低能带隙、低HOMO能级的给/受体聚合物太阳能电池材料的设计、合成及光伏性能    张国兵

新型酞菁分子、自组装纳米结构合成及应用研究    高俊珊

纳秒脉冲激光诱导单晶硅材料荧光效应的研究    刘春阳

太阳能级硅冶金制备技术研究    罗大伟

飞轮电池磁悬浮支承系统理论及应用研究    汤双清

酞菁化合物的晶体生长及其薄膜晶体管的制备与性能研究    姜文海

有机小分子太阳电池阴极修饰的研究    李方馨

独立太阳能光伏发电用双向DC-DC变换器的全数字化控制    冀维金

红荧烯分子在半金属表面的生长    兰梦

聚合物光伏电池的性能优化及稳定性研究    王亚凌

苝酰亚胺光电聚合物的制备及其功能应用    马琮

含芴和8-羟基喹啉的聚合金属配合物的合成及光伏性能    张立荣

金属酞菁敏化太阳能电池性能研究    朱静燕

水热合成pyrite及光电性能分析    吴荣

NO_2气体薄膜传感器阵列制备及特性研究    索武生

以过渡金属配合物为模板的有机无机杂化铅碘化物的结构化学与谱学研究    叶若柏

高迁移率有机薄膜晶体管材料进展    耿延候;田洪坤;

有机/聚合物场效应管    周桂江,叶成

有机场效应晶体管研究和应用进展    肖恺,于贵,刘云圻,朱道本

有机场效应晶体管材料及器件研究进展    刘承斌,范曲立,黄维,王迅

有机薄膜场效应晶体管    胡文平,刘云圻,朱道本

无机纳米晶-共轭聚合物异质结光电池研究进展    周健伟;覃东欢;罗潺;曹镛;

新型C_(60)衍生物的合成及其太阳能电池性能    郑立平,周清梅,王飞,邓先宇,俞刚,曹镛,宁滨,郭志新

无机纳米晶/共轭聚合物太阳能电池光敏层制备方法及微观形貌调控    李璠;张琳;陈义旺;彭小明;

聚合物太阳能电池研究进展    何杰;苏忠集;向丽;王剑;汪映寒;

窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的研究进展    魏宇锋;陈相;蒋伟;朱洪坤;

聚合物发光材料    李建科，漆宗能，王佛松

共轭聚合物复合抗静电油罐涂料    鲁照玲

共轭聚合物/C_(60)复合体系及其在光伏打电池中的应用    黄红敏,贺庆国,蔺洪振,杨俊林,白凤莲

聚苯类共轭聚合物的合成及荧光特性研究    李建科,阳明书,漆宗能,王佛松

非线性光学聚合物材料    杜仕国

基于带吸电子基团的苯并二噻吩衍生物的新型共轭聚合物的合成及其光伏性能    赵斌;聂玉娟;汤鹏;谭松庭;

共轭聚合物对有机场效应晶体管的调控作用    吴卫平;刘云圻;邹应萍;李永舫;朱道本;

微波辅助高质量共轭聚合物合成    张文思;路萍;马於光;

新型共轭聚合物荧光探针设计及其在生物检测与成像中的应用研究    王树;

共轭聚合物纳米纤维的可控制备    李静怡;朱锦涛;

共轭聚合物荧光探针:生物检测、成像与生物医药应用    王树;

侧链含氨基的聚对苯撑乙炔/咔唑共轭聚合物的合成及发光性质的研究    刘暘;杨凯;孙书;石建兵;佟斌;支俊格;董宇平;

用于TNT爆炸物检测新型荧光共轭聚合物的制备及性能研究    陈意铭;廖明义;金美花;黄丽;

一类共轭聚合物半导体的设计、合成与性能    陈杜刚;韩康;兰凌燕;钟成;秦金贵;

新型氮杂芴基超分子共轭聚合物凝胶的制备与表征    林宗琼;林进义;李伟杰;张超;解令海;仪明东;黄维;

太阳能电池：让你用得起    李禾

日本京瓷投资天津生产太阳能电池    记者孙东民

保定成为太阳能电池生产基地    记者李斌

“三座大山”遮挡了太阳    罗兵

G杉杉 太阳能电池产能达15MW    本报记者 高晓娟

施正荣：太阳能电池价格十年内将降一半    王佑

高效能太阳能电池刷新纪录    刘学勇

多晶硅抢手 造就太阳能产业大者恒大    黄女瑛 DigiTimes

两岸太阳能电池竞赛 大陆明年大幅超越台湾    黄女瑛 DigiTimes

太阳能厂跨洋吸金 几家欢乐几家愁    黄女瑛 DigiTimes

新型给体—受体共轭聚合物的设计、合成及其有机光伏太阳能电池性能研究    胡超

新型共轭聚合物的设计、合成及光电性能研究    曹康丽

具有光活性的电子给体/受体双缆型共轭聚合物的设计、合成和性能研究    李明华

新型共轭聚合物的合成及其光电性能研究    王晓晨

聚芳烃二炔类水溶性共轭聚合物的合成及其在传感器中的应用研究    曾文南

荧光共轭聚合物的合成、表征及荧光传感特性    冯继昌

基于共轭聚合物的新型荧光传感薄膜的创制及相关检测仪器的研制    何刚

分子刷型水溶性共轭聚合物的合成、表征与传感应用研究    张志勇

星状共轭聚合物的单分子胶束化发光策略及其应用    邱丰

聚芴类共轭聚合物荧光传感器的合成、设计及应用研究    鲍碧清

用于太阳能电池的窄带隙共轭聚合物的合成与性能研究    李彬

含苯并二噻吩及噻吩衍生物的共轭聚合物的合成及光伏性能研究    聂玉娟

含噻吩和噻唑基元的共轭聚合物的合成和光伏性能研究    国霞

荧光共轭聚合物合成及其在金属离子检测中的应用    王安宁

基于吩噻嗪衍生物低能带隙共轭聚合物的合成与表征    王艳宾

含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭聚合物的合成及其在聚合物太阳能电池上的应用    杨述

两种新型荧光共轭聚合物的合成及其对非离子表面活性剂的分析应用    郝丹

新型水溶性聚苯乙炔—吡啶类共轭聚合物的合成及荧光传感应用研究    胡玉琴

二类不同共轭聚合物的合成及对金属离子识别性的研究    王成智

含苯并三氮唑单元的π共轭聚合物的合成与性能研究    古丽巴哈尔·达吾提