稠环噻吩类窄带隙聚合物的设计及光电性能研究

发布时间：2017-03-26 19:19

  本文关键词：稠环噻吩类窄带隙聚合物的设计及光电性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：带宽小于2.0 eV,基于电子给体-电子受体交替共聚的窄带隙聚合物已经成为聚合物太阳能电池研究的主流。目前,大多数窄带隙聚合物难以均衡带隙控制,载流子迁移率以及能级排列问题,本论文的主要工作是设计合成一系列结构新颖的电子给体单元、电子受体单元,以及基于电子给体-电子受体交替共聚的窄带隙聚合物太阳能电池材料。考察聚合物的光谱和电化学性质,优化聚合物太阳能电池器件的工艺条件,研究聚合物结构对器件光伏性能的影响,揭示共轭结构对聚合物带隙、吸收光谱以及能级排列的影响,开发高性能的太阳能电池材料。本论文第二章中,以咔唑桥连三苯基胺基团作为电子给体单元和电子受体单元吡咯并吡咯二酮(DPP),噻唑并[5,4-d]噻唑(TTz)共聚合成两种二维窄带隙聚合物PTCDPP和PTCTTz。讨论了不同电子受体单元对聚合物光谱吸收,电化学性能的影响,探讨了咔唑单元作为二维侧链对PTCDPP的光伏性能的影响。优化基于PTCDPP的太阳能电池器件FTO/Ti02/PTCDPP:PCBM/Mo03/Al的光电转化效率,考虑PTCDPP:PCBM质量比,活性层的退火工艺,高沸点溶剂添加剂的使用等因素的影响发现：最优的器件效率是活性层PTCDPP:PCBM (1:4, w/w)用3%(v/v)1,8-二碘辛烷(DIO)的邻二氯苯溶液成膜,80℃退火后得到,器件参数为PCE= 2.65%,Jsc= 4.47 mA/cm2, Voc= 0.80 V, FF= 0.37。此系列聚合物的开发针对空穴迁移率与吸收波谱难以均衡,从聚合物结构设计上提出了一种新的设计方法。第三章以苯并三噻吩(BTT)为电子供体单元,和DPP, TTz,噻吩吡咯二酮(TPD)和二噻唑并[4,5-g]喹喔啉(DTBTQx)等电子受体单元交替共聚得到一系列光学带宽1.20 eV-1.80 eV的窄带隙聚合物PBTTDPP, PBTTTTz, PBTTTPD和PBTTDTBTQx,分析不同电子受体结构对聚合物带隙、吸收光谱、能级排列的作用机制。应用于聚合物太阳能电池的器件结构为ITO/PEDOT4083 (40 nm)/聚合物:PC71BM (80 nm)/Al (80 nm),考虑不同的聚合物/PC71BM质量比,加入聚[(9,9-二辛基-2,7-芴)-并(9,9-双(3’-(N,N-二甲氨基)丙基)-2,7-芴)](PFN)层等因素的优化工艺,活性层PBTTTTz:PC71BM (1:1, w/w)没有加PFN层的器件取得了PCE为1.38%,Jsc为5.46 mA/cm2, Foc为0.51 V,FF为0.50的结果。上述光伏器件的优化条件为BTT基窄带隙聚合物的器件优化提供了一定的借鉴。第四章以萘并二噻吩(NDT)单元和DPP, TTz, TPD和DTBTQx等受体单元采用直接芳基化聚合反应的方法得到一系列的聚合物PNDTDPP, PNDTTTz, PNDTTPD和PNDTDTBTQx。此系列聚合物的光学带宽在1.20 eV～1.80 eV, HOMO能级为-4.94 eV～-5.28 eV, LUMO能级为-3.42 eV～-3.77 eV,聚合物具有良好的溶解性和成膜性能,希望能得到Jsc比较高的高性能太阳能电池材料。目前基于这类聚合物的太阳能电池器件检测正在进行中。第五章中通过在双溴代的苯环上闭环反应得到4,8-二溴苯并呋喃[5,6-b]呋喃的中间产物,通过典型的钯催化下金属转移的偶联反应如Suzuki, Still等反应可以得到4,8位取代基修饰苯并二呋喃(BDF)单元,避免了以苯并二呋喃4,8-二酮作为中间产物,通过类似苯并二噻吩(BDT)衍生物的拓展方式带来的限制。本章中以4,8-二溴苯并呋喃[5,6-b]呋喃为中间产物合成了几种BDF单元衍生物的电子供体：巯烷基取代BDF单元(BDF-S),三异丙基硅炔基取代BDF单元(TIPSBDF),烷基噻吩基取代BDF单元(BDFT),巯烷基噻吩基取代BDF单元(BDFT-S),并和电子受体单元DPP, TTz和DTBTQx等Still聚合得到了一系列的聚合物。分析不同电子受体单元以及不同给体单元对聚合物带隙、吸收光谱、能级排列的作用机制。目前基于这类聚合物的太阳能电池器件测试正在进行中。
【关键词】：聚合物太阳能电池 窄带隙聚合物 苯并[1 2-b:3 4-b’:5 6-d"]三噻吩 苯并呋喃[5 6-b]呋喃
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O631.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 常用英文缩写注释表12-14
• 1 绪论14-38
• 1.1 引言14-15
• 1.2 有机太阳能电池发展概况15-17
• 1.3 有机聚合物太阳电池的结构和工作原理17-18
• 1.3.1 有机聚合物太阳能电池的结构17
• 1.3.2 有机聚合物太阳能电池的工作原理17-18
• 1.4 聚合物太阳能电池的性能表征18-20
• 1.4.1 聚合物太阳能电池的相关参数18-20
• 1.5 聚合物太阳能电池材料的能级设计与活性层工艺20-21
• 1.6 聚合物太阳能电池材料21-37
• 1.6.1 聚合物太阳能受体材料21-22
• 1.6.2 聚合物太阳能给体材料22-36
• 1.6.3 高效率聚合物太阳能电池研究关键36-37
• 1.7 本论文的研究思路和主要内容37-38
• 1.7.1 本论文的研究思路和主要内容37-38
• 2 咔唑桥连三苯胺的二维窄带隙聚合物38-57
• 2.1 引言38-40
• 2.2 实验部分40-47
• 2.2.1 实验药品40-41
• 2.2.2 表征设备与仪器41
• 2.2.3 单体和聚合物的合成41-47
• 2.3 结果与讨论47-57
• 2.3.1 聚合物的分子量47-48
• 2.3.2 聚合物的热学性质48-49
• 2.3.3 聚合物的光学性质49-50
• 2.3.4 聚合物的电化学性质50-52
• 2.3.5 聚合物器件的光伏性能52-55
• 2.3.6 本章小结55-57
• 3 苯并[1,2-b：3,4-b’：5,6-d”]三噻吩的窄带隙聚合物57-78
• 3.1 引言57-59
• 3.2 实验部分59-69
• 3.2.1 原料与试剂59
• 3.2.2 表征设备与仪器59-60
• 3.2.3 单体和聚合物的合成60-69
• 3.3 结果与讨论69-78
• 3.3.1 聚合物的分子量69
• 3.3.2 聚合物的热学性质69-70
• 3.3.3 聚合物的光学性质70-72
• 3.3.4 聚合物的电化学性质72-74
• 3.3.5 聚合物器件的光伏性能74-77
• 3.3.6 本章小结77-78
• 4 萘并[2,1-b：3,4-b’]二噻吩的窄带隙聚合物78-89
• 4.1 引言78-79
• 4.2 实验部分79-83
• 4.2.1 原料与试剂79
• 4.2.2 表征设备与仪器79
• 4.2.3 单体和聚合物的合成79-83
• 4.3 结果与讨论83-89
• 4.3.1 聚合物的分子量83-84
• 4.3.2 聚合物的热学性质84
• 4.3.3 聚合物的光学性质84-86
• 4.3.4 聚合物的电化学性质86-88
• 4.3.5 本章小结88-89
• 5 苯并二呋喃稠环的构建以及其窄带隙聚合物89-112
• 5.1 引言89-90
• 5.2 实验部分90-103
• 5.2.1 原料与试剂90
• 5.2.2 表征设备与仪器90-91
• 5.2.3 单体和聚合物的合成91-103
• 5.3 结果与讨论103-112
• 5.3.1 聚合物的分子量103-104
• 5.3.2 聚合物的热学性质104
• 5.3.3 聚合物的光学性质104-108
• 5.3.4 聚合物的电化学性质108-110
• 5.3.5 本章小结110-112
• 6 结论112-116
• 6.1 结论112-114
• 6.2 本论文的创新之处114-115
• 6.3 展望115-116
• 参考文献116-138
• 致谢138-139
• 附录139-141
• 附图141-172

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