低能帶隙、低HOMO能級(jí)的給/受體聚合物太陽(yáng)能電池材料的設(shè)計(jì)、合成及光伏性能

【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池具有重量輕、成本低、可大面積成膜、柔性以及性能可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。共軛聚合物是聚合物太陽(yáng)能電池的材料基礎(chǔ),設(shè)計(jì)和合成綜合性能優(yōu)良的新型聚合物材料對(duì)提高聚合物太陽(yáng)能電池性能和能量轉(zhuǎn)化效率具有非常重要的意義。本論文通過(guò)合成不同的給體單元和受體單元,合成了一系列新型的,尤其含有強(qiáng)吸電子內(nèi)酰亞胺和內(nèi)酰胺基團(tuán)的低能帶隙聚合物,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了材料的低能帶隙、低HOMO能級(jí)并研究了分子結(jié)構(gòu)與材料光電性能的關(guān)系以及對(duì)光伏器件性能的影響,主要內(nèi)容如下: 1.本論文第二章以3,4-乙撐二氧噻吩(EDOT)為電子給體單元,以喹啉胺和噻二唑喹啉胺為受體單元,合成了EDOT-喹啉胺和EDOT-噻二唑喹啉胺共軛聚合物,聚合物有良好的熱穩(wěn)定性。研究了聚合物的光物理性質(zhì)、電化學(xué)性質(zhì)以及光伏性能,以這些聚合物為給體材料,富勒烯衍生物PC_(61)BM為受體材料,制備了本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池器件,能量轉(zhuǎn)化效率最高為0.6%,開(kāi)路電壓為0.52 V,短路電流為3.24 mA/cm~2。 2.利用在受體單元上引入強(qiáng)吸電子基團(tuán)來(lái)降低聚合物的HOMO能級(jí),本論文第三章合成了一種含有強(qiáng)吸電子內(nèi)酰亞胺基團(tuán)的受體單元鄰苯二甲酰亞胺衍生物。以苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩為給體單元,合成了新型共軛聚合物PBDTPh和PBDTPhBT。紫外可見(jiàn)吸收光譜表明聚合物在可見(jiàn)光部分有強(qiáng)的吸收峰,電化學(xué)測(cè)試表明聚合物有低的HOMO能級(jí)。以聚合物為給體材料,富勒烯衍生物PC_(71)BM為受體材料,制備了本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池器件,器件獲得了高的開(kāi)路電壓,在0.89-0.93 V之間,能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1.54%。 3.為了拓寬聚合物在可見(jiàn)光部分的吸收,第四章的第一節(jié)設(shè)計(jì)合成了以二氧吡咯噻吩為受體單元,在受體單元上也含有強(qiáng)吸電子的內(nèi)酰亞胺基團(tuán),目的是獲得低的HOMO能級(jí)和較高的開(kāi)路電壓。以苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩為給體單元,合成了新型共軛聚合物PBDTDPT1和PBDTDPT2。紫外可見(jiàn)吸收光譜表明新的聚合物與含鄰苯二甲酰亞胺的聚合物相比有更寬的吸收峰,電化學(xué)研究表明聚合物PBDTDPT1和PBDTDPT2具有低的HOMO能級(jí),分別達(dá)到-5.44和-5.42 eV。光伏器件測(cè)試結(jié)果證實(shí),聚合物與PC_(71)BM組成的本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池器件獲得了優(yōu)異的性能,開(kāi)路電壓高達(dá)0.91-0.97 V。PBDTDPT1和PBDTDPT2與PC_(71)BM組成的本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池器件經(jīng)初優(yōu)化后的短路電流分別為6.58和10.34 mA/cm~2,能量轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到3.42%和4.79%。 4.由于在受體兩邊引入推電子單元一般會(huì)降低聚合物的能帶隙,第四章的第二節(jié)在PBDTDPT1和PBDTDPT2的基礎(chǔ)上,在二氧吡咯噻吩單元兩邊引入了推電子的3-烷基噻吩單元,仍然以苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩為給體單元,合成了新型共軛聚合物PBDTTPT1和PBDTTPT2。同時(shí)將二氧吡咯噻吩單元上的大支鏈改成直鏈。研究結(jié)果顯示新的聚合物能帶隙下降并不明顯,由原來(lái)的1.84 eV下降到了1.82和1.78 eV。新的聚合物也具有比較好的光伏性能,開(kāi)路電壓仍然高達(dá)0.90 V。PBDTTPT1和PBDTTPT2與PC_(71)BM組成的本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池器件的能量轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到2.43%和2.68%。 5.第五章設(shè)計(jì)合成了含另一種強(qiáng)吸電子基團(tuán)內(nèi)酰胺的單體異靛藍(lán)。分別以噻吩、噻吩并[2,3-b]噻吩和苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩為給體單元,合成了一系列含異靛藍(lán)的聚合物,并研究了這些聚合物的光學(xué)、電化學(xué)以及光伏性能。研究表明,異靛藍(lán)聚合物的吸收峰覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域,同時(shí)聚合物具有較低的HOMO能級(jí),合適的LUMO能級(jí)以及理想的光學(xué)能帶隙。以異靛藍(lán)的聚合物為給體材料,PC_(71)BM為受體材料,制備了本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池器件,初步研究了光伏性能,能量轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)到1.91%。 6.第六章合成了另一種含強(qiáng)吸電子內(nèi)酰胺基團(tuán)的單體3.6-二烷基-2,5-二吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(DPP)作為受體單元,DPP單元本身具有好的共軛結(jié)構(gòu),有強(qiáng)的π-π相互作用,內(nèi)酰胺基團(tuán)使得DPP單元高度缺電子。同時(shí)以具有平面性很好的噻吩并[2,3-b]噻吩為給體單元,合成了新型共軛聚合物PTT-DTDPP。聚合物具有寬的吸收帶,覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光并延伸至近紅外區(qū)域。同時(shí)具有良好的熱穩(wěn)定性和較低的HOMO能級(jí),器件初步優(yōu)化的能量轉(zhuǎn)化效率為1.60%。 【關(guān)鍵詞】：低能帶隙 共軛聚合物 Stille偶聯(lián) 聚合物太陽(yáng)能電池
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 緒論14-62
• 1.1 聚合物太陽(yáng)能電池發(fā)展歷程14-17
• 1.2 聚合物太陽(yáng)能電池工作機(jī)理17-18
• 1.3 聚合物太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)18-21
• 1.4 聚合物太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)21-23
• 1.5 聚合物太陽(yáng)能電池材料23-48
• 1.5.1 受體材料23-25
• 1.5.2 給體材料25-46
• 1.5.3 聚合物太陽(yáng)能電池材料的理想能級(jí)和能帶隙46-48
• 1.6 本論文的設(shè)計(jì)思想和內(nèi)容48-51
• 參考文獻(xiàn)51-62
• 第二章 低能帶隙3,4-乙撐二氧噻吩-喹啉胺和3,4-乙撐二氧噻吩-噻二唑喹啉胺共軛聚合物的合成、氧化還原和光伏性能62-79
• 2.1 引言62
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分62-68
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品62-63
• 2.2.2 儀器63
• 2.2.3 器件的制作63
• 2.2.4 單體和聚合物的合成63-68
• 2.3 結(jié)果與討論68-74
• 2.3.1 合成與表征68-69
• 2.3.2 聚合物的熱性能69-70
• 2.3.3 聚合物的光學(xué)性能70-71
• 2.3.4 電化學(xué)性能71-72
• 2.3.5 光伏性能72-74
• 2.4 結(jié)論74-75
• 參考文獻(xiàn)75-79
• 第三章 基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩和鄰苯二甲酰亞胺單元的共軛聚合物的合成及光伏性能79-97
• 3.1 引言79-81
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分81-86
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品81
• 3.2.2 儀器81-82
• 3.2.3 器件的制作82
• 3.2.4 單體和聚合物的合成82-86
• 3.3 結(jié)果與討論86-92
• 3.3.1 合成與表征86-87
• 3.3.2 熱性能87-89
• 3.3.3 光學(xué)性能89
• 3.3.4 電化學(xué)性能89-90
• 3.3.5 光伏性能90-92
• 3.4 結(jié)論92-93
• 參考文獻(xiàn)93-97
• 第四章 基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩和二氧吡咯噻吩單元的D-A 聚合物的合成和性能研究97-128
• 4.1 基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩-二氧吡咯噻吩聚合物為基礎(chǔ)的高性能聚合物太陽(yáng)能電池97-112
• 4.1.1 引言97-98
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)部分98-102
• 4.1.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品98
• 4.1.2.2 儀器98-99
• 4.1.2.3 器件的制作99
• 4.1.2.4 單體和聚合物的合成99-102
• 4.1.3 結(jié)果與討論102-112
• 4.1.3.1 合成與表征102-103
• 4.1.3.2 熱性能103-104
• 4.1.3.3 光學(xué)性能104-106
• 4.1.3.4 電化學(xué)性能106
• 4.1.3.5 光伏性能106-112
• 4.2 低能帶隙聚合物基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩和二噻吩-二氧吡咯噻吩單元的合成及其光伏應(yīng)用112-124
• 4.2.1 引言112-113
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)部分113-117
• 4.2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品113
• 4.2.2.2 儀器113
• 4.2.2.3 器件的制作113-114
• 4.2.2.4 單體和聚合物的合成114-117
• 4.2.3 結(jié)果與討論117-124
• 4.2.3.1 合成與表征117
• 4.2.3.2 熱性能117-118
• 4.2.3.3 光學(xué)性能118-120
• 4.2.3.4 電化學(xué)性能120-121
• 4.2.3.5 光伏性能121-124
• 4.3 結(jié)論124-125
• 參考文獻(xiàn)125-128
• 第五章 基于異靛藍(lán)衍生物為受體單元的共軛聚合物的合成及性能研究128-145
• 5.1 引言128-129
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分129-134
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品129
• 5.2.2 儀器129-130
• 5.2.3 器件的制作130
• 5.2.4 單體和聚合物的合成130-134
• 5.3 結(jié)果與討論134-142
• 5.3.1 合成與表征134-135
• 5.3.2 熱性能135-136
• 5.3.3 光學(xué)性能136-138
• 5.3.4 電化學(xué)性能138-139
• 5.3.5 光伏性能139-142
• 5.4 結(jié)論142-143
• 參考文獻(xiàn)143-145
• 第六章 基于3,6-二烷基-2,5-二吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮單元的共軛聚合物的合成及光伏性能145-159
• 6.1 引言145-146
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分146-149
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品146
• 6.2.2 儀器146
• 6.2.3 器件的制作146-147
• 6.2.4 單體和聚合物的合成147-149
• 6.3 結(jié)果與討論149-155
• 6.3.1 合成與表征149-150
• 6.3.2 熱性能150
• 6.3.3 光學(xué)性能150-151
• 6.3.4 電化學(xué)性能151-153
• 6.3.5 光伏性能153-155
• 6.4 結(jié)論155-156
• 參考文獻(xiàn)156-159
• 全文總結(jié)159-162
• Ⅰ本文主要內(nèi)容159-161
• Ⅱ本文主要?jiǎng)?chuàng)新之處161-162
• 致謝162-163
• 附錄Ⅰ發(fā)表與博士學(xué)位論文相關(guān)的論文和專利163-164
• 附錄Ⅱ164-195

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