基于苯并二噻吩的共軛聚合物的合成及其在太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：傳統(tǒng)的石化資源一方面面臨著能源枯竭危機,另一方面在應(yīng)用的同時也造成極大的環(huán)境污染。因此,人們急切需要開發(fā)和利用一些資源豐富、可再生利用的清潔能源,以滿足日益增長的能源需求。在各種可再生能源中,太陽能屬于取之不盡、用之不竭的可再生綠色能源。太陽能具有不受地域限制、沒有噪音、無污染、利用成本較低等優(yōu)勢,因此是人類獲取清潔能源的最佳途徑之一,而高效、方便地利用太陽能的重要方式之一就是太陽能電池的推廣應(yīng)用。相比傳統(tǒng)無機太陽能電池,有機太陽能電池能夠采用低成本的溶液加工法制備質(zhì)輕、柔性的大面積器件,而且相關(guān)材料可以輕易進行化學(xué)設(shè)計、裁剪和合成,引起了各國科學(xué)家和各大公司的濃厚興趣,迅速形成了研究熱潮。本文按照給體-受體(D-A)的設(shè)計思路,合成了一系列共軛聚合物,并對其光伏性能進行了研究。在第二章,通過Stille偶聯(lián)反應(yīng),將4,8-雙(5-(3,4,5-三(氧基)苯基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩(TOBDT)與2,3-聯(lián)苯-5,8-間(噻吩-2-基)喹喔啉(TQ1)或10,13-間(4-(2-乙基已基)噻吩-2-基)二苯并[a,c]吩嗪(TQ2)聚合得到了兩種基于苯并二噻吩和喹喔啉的共聚物。通過增加TQ2單元中的共軛程度,其聚合物表現(xiàn)出了較窄的帶隙(Eg),較低的HOMO能級和增強的鏈間的π-π相互作用。相對于TQ1,基于TQ2的聚合物太陽能電池的開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)和填充因子(FF)性能參數(shù)的同時提升?；赥Q2和PC71BM的器件獲得了4.24%的光電轉(zhuǎn)換效率。這些結(jié)果初步表明通過增加受體單元(喹喔啉)的共軛程度,是一種提高聚合物太陽能電池性能的有效方法。在第三章,為了深入研究平面性,烷基側(cè)鏈引起的空間位阻及分子量的影響以得到高效率聚合物太陽能電池,我們設(shè)計并合成了一種“平整型”聚合物PTOBDTDTffBT。通過將DTffBT單元上的烷基側(cè)鏈移除,并且在BDT單元上引入了更短的辛氧基側(cè)鏈,實現(xiàn)了分子內(nèi)和分子間的空間位阻最小化。運用此空間位阻最小化策略,得到了具有高數(shù)均分子量(343.37 kg/mol),平整的共軛骨架和強聚集特性的的聚合物PTOBDTDTffBT。光學(xué)特性表明,即使在160℃下,分子間強的聚集也只能被部分破壞。理論計算提供了更為深刻的信息：聚合物骨架的扭轉(zhuǎn)角非常?。亨绶?苯基橋使得辛氧基向聚合物骨架外移6.77A。以上兩點都確保了分子間強的聚集特性。盡管聚合物PTOBDTDTffBT擁有高平面性和強聚集特性,但掠入射X射線衍射分析表明其薄膜為無定型。聚合物PTOBDTDTffBT表現(xiàn)了深達-5.46 eV的HOMO能級和1.71 eV的窄帶隙。由于強聚集特性,PTOBDTDTffBT/PC71BM活性層表現(xiàn)出了隨溫度變化而變化的光伏特性：在100℃以下溫度旋涂活性層時,器件效率穩(wěn)定在6.6%以上；但旋涂溫度升高到120到160℃間時,短路電流和填充因子下降,器件效率也逐漸下降到3.58%。從高溫度下聚合物溶液的UV-vis吸收光譜和X射線光電子能譜分析可以推斷,器件光伏性能隨制備活性層溫度變化的原因可以解釋為：高溫度溶液中PC71BM更容易被甩出;并且AFM和TEM觀察發(fā)現(xiàn)高溫度可能導(dǎo)致活性層更粗糙和形貌和更大尺寸的相分離。最終,在80℃下旋涂制備活性層時,器件效率達到了7.68%,這對于“平整型”PBDT-DFffBT聚合物來說,是一個巨大的突破。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 苯并二噻吩 喹喔啉 苯并噻二唑
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 引言11-13
• 1.2 有機太陽能電池的基本原理和性能參數(shù)13-16
• 1.2.1 有機太陽能電池的基本原理13-15
• 1.2.2 有機太陽能電池的基本性能參數(shù)15-16
• 1.3 可溶液加工的有機太陽能電池給體材料研究進展16-20
• 1.3.1 共軛聚合物16-19
• 1.3.2 小分子19-20
• 1.4 展望20-21
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容21-22
• 第二章 基于苯并二噻吩和喹喔啉類聚合物的合成及其光伏性能研究22-38
• 2.1 引言22-23
• 2.2 實驗部分23-29
• 2.2.1 原料與試劑23-24
• 2.2.2 材料的表征與儀器24
• 2.2.3 單體的合成24-29
• 2.2.4 聚合物的合成29
• 2.3 結(jié)果與討論29-37
• 2.3.1 合成與表征29-30
• 2.3.2 聚合物PTOBDTTQ1和PTOBDTTQ2的光學(xué)特性30-31
• 2.3.3 聚合物PTOBDTTQ1和PTOBDTTQ2的電化學(xué)特性31-34
• 2.3.4 聚合物PTOBDTTQ1和PTOBDTTQ2的光伏特性34-37
• 2.4 本章小結(jié)37-38
• 第三章 通過空間位阻最小化策略合成高平面性和高分子量的聚合物及其光伏性能的研究38-54
• 3.1 引言38-40
• 3.2 實驗部分40-43
• 3.2.1 原料與試劑40-41
• 3.2.2 材料的表征與儀器41-42
• 3.2.3 單體和聚合物PTOBDTDTffBT的合成42-43
• 3.3 結(jié)果與討論43-53
• 3.3.1 聚合物PTOBDTDTffBT的光學(xué)特性45-46
• 3.3.2 聚合物PTBDTDTffBT的理論計算46-48
• 3.3.3 聚合物PTOBDTDTffBT的光伏性能48-53
• 3.4 本章小結(jié)53-54
• 結(jié)論54-55
• 參考文獻55-64
• 致謝64-65
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果65
• 個人簡歷65
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文65

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