基于不同側(cè)鏈取代基的苯并二噻吩的新型共軛聚合物給體材料的設(shè)計(jì)、合成及其在太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：隨著人類社會(huì)的高速發(fā)展，其對(duì)能源的需求日益增加。傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等能源存在儲(chǔ)量有限、易造成空氣污染等缺點(diǎn)，不宜大量長期使用。因此，尋找可以替代這些傳統(tǒng)能源的新型能源已經(jīng)成為人類社會(huì)亟待解決的一大難題。太陽能以其取之不盡、用之不竭、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)得到了人們的廣泛關(guān)注，因此開發(fā)利用太陽能的方法技術(shù)逐漸發(fā)展起來。目前，以硅基系列、砷化鎵系列等無機(jī)半導(dǎo)體為主要材料制成的疊層無機(jī)太陽能電池其光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到40%以上，商業(yè)應(yīng)用最為廣泛。然而，雖然制備無機(jī)太陽能電池的技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是其還存在著明顯的不足。例如，制備硅基太陽能電池時(shí)，采用氧化-還原反應(yīng)來提純硅的這一方法使得硅基太陽能電池的制造能耗較大、污染較高。另外，硅基太陽能電池的工藝比較復(fù)雜且生產(chǎn)設(shè)備也相對(duì)昂貴。為了解決這些問題，具有制備成本低、制備工藝簡單、質(zhì)量輕、能實(shí)現(xiàn)大面積柔性生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)的有機(jī)太陽能電池進(jìn)入了人們的研究范圍。在眾多研究小組的不斷努力下，目前，以聚合物為半導(dǎo)體材料制備的疊層有機(jī)太陽能電池器件其光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到10%以上。盡管如此，有機(jī)太陽能電池要想實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)仍然有很大的難度。因此，針對(duì)提高有機(jī)太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)化效率的研究有很大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。 本論文致力于合成一系列基于不同側(cè)鏈取代基的苯并二噻吩的新型共軛聚合物給體材料，通過表征所合成聚合物的熱力學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)、光伏性能等研究聚合物重復(fù)單元中不同結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈取代基團(tuán)對(duì)聚合物太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)化效率的影響。 本論文的研究體系是：我們選擇了眾多具有較高光電轉(zhuǎn)換效率的共軛聚合物普遍都包含的苯并二噻吩這一具有較大平面共軛結(jié)構(gòu)的單元作為聚合單體，在其側(cè)鏈引入不同的取代基團(tuán)后通過均聚、共聚等方法合成一系列的新型共軛聚合物。通過表征所合成聚合物的熱力學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)及光伏性能等研究不同的側(cè)鏈取代基團(tuán)對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而研究不同的聚合物側(cè)鏈結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)化效率的影響。 首先，我們將具有親水性的寡聚乙氧基一維柔性側(cè)鏈引入到苯并二噻吩結(jié)構(gòu)單元中，合成了一種全新的寡聚乙氧基取代的苯并二噻吩單體。為了研究寡聚乙氧基側(cè)鏈在聚合物太陽能電池器件中的作用，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了兩種全新的共軛聚合物。這兩種聚合物含有完全相同的主鏈結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于側(cè)鏈含有的寡聚乙氧基數(shù)量不同。通過研究基于這兩種聚合物制備的太陽能電池器件我們發(fā)現(xiàn)，寡聚乙氧基側(cè)鏈的比例越高，其活性層表面粗糙度越大，聚集面積越大，因此其光電轉(zhuǎn)化效率越低。 其次，我們將具有超共軛結(jié)構(gòu)的三噻吩二維側(cè)鏈取代基引入到苯并二噻吩結(jié)構(gòu)單元中，合成了一種全新的三噻吩取代的二維共軛的苯并二噻吩單體。通過與具有缺電子性的結(jié)構(gòu)單元共聚合成了一種新型共軛聚合物。這種聚合物除了主鏈具有的共軛結(jié)構(gòu)外，還具有從主鏈到側(cè)鏈的二維共軛作用。通過對(duì)該聚合物一系列的性能表征我們發(fā)現(xiàn)，這種二維共軛作用增強(qiáng)了聚合物的熱穩(wěn)定性、拓寬了聚合物的吸光范圍、降低了聚合物的HOMO（最高占有分子軌道）與LUMO（最低未占有分子軌道）能級(jí)。得益于這些優(yōu)越的基礎(chǔ)性能，基于此聚合物的太陽能電池器件表現(xiàn)出了3.57%的光電轉(zhuǎn)化效率。 最后，我們以上述三噻吩取代的二維共軛的苯并二噻吩單體為共聚單元，另外選擇一系列缺電子性強(qiáng)弱不一的單體作為另一共聚單元合成了五種具有不同主鏈結(jié)構(gòu)的新型共軛聚合物給體材料。在聚合物主鏈中引入缺電子性的結(jié)構(gòu)單元，能夠有效的降低聚合物的HOMO能級(jí)，進(jìn)而提高太陽能電池器件的開路電壓，我們通過表征這一系列具有不同HOMO能級(jí)的聚合物的基本性能，較為系統(tǒng)地研究了三噻吩共軛側(cè)鏈在不同聚合物結(jié)構(gòu)中的不同作用，以及對(duì)基于這些聚合物制備的太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)化效率的影響。 【關(guān)鍵詞】：側(cè)鏈取代苯并二噻吩 寡聚乙氧基一維柔性側(cè)鏈 三噻吩基二維共軛側(cè)鏈 聚合物太陽能電池 光電轉(zhuǎn)化效率
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4;TQ317
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 緒論13-37
• 1.1 引言13-14
• 1.2 有機(jī)聚合物太陽能電池簡介14-34
• 1.2.1 有機(jī)聚合物太陽能電池的工作原理14-15
• 1.2.2 有機(jī)聚合物太陽能電池器件結(jié)構(gòu)15-18
• 1.2.3 有機(jī)聚合物太陽能電池器件的幾個(gè)重要參數(shù)18-19
• 1.2.4 常用于有機(jī)聚合物太陽能電池器件中的共軛聚合物給體材料19-34
• 1.2.4.1 一維柔性側(cè)鏈取代的苯并二噻吩聚合物給體材料20-26
• 1.2.4.2 二維共軛側(cè)鏈取代的苯并二噻吩聚合物給體材料26-34
• 1.3 本論文工作的研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處34-37
• 1.3.1 本論文工作的研究內(nèi)容34-35
• 1.3.2 本論文研究內(nèi)容的創(chuàng)新之處35-37
• 2 親水性寡聚乙氧基側(cè)鏈取代的苯并二噻吩均聚物給體材料的合成及光伏性能研究37-55
• 2.1 引言37-39
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分39-44
• 2.2.1 原料和試劑39
• 2.2.2 材料的表征設(shè)備和儀器39-40
• 2.2.3 聚合物太陽能電池器件的制備40
• 2.2.4 器件制備及測試所需儀器設(shè)備40
• 2.2.5 單體及聚合物的合成40-44
• 2.3 結(jié)果與討論44-53
• 2.3.1 合成及性能表征44-45
• 2.3.2 聚合物的熱力學(xué)性能45-46
• 2.3.3 聚合物的光學(xué)性能46-47
• 2.3.4 聚合物的電化學(xué)性能47-48
• 2.3.5 聚合物太陽能電池性能48-50
• 2.3.6 聚合物太陽能電池外量子效率50
• 2.3.7 聚合物太陽能電池遷移率50
• 2.3.8 聚合物 X 射線衍射及原子力顯微圖像50-52
• 2.3.9 聚合物太陽能電池穩(wěn)定性分析52-53
• 2.4 本章小結(jié)53
• 2.5 附錄53-55
• 3 超共軛側(cè)鏈取代的苯并二噻吩與苯并噻二唑衍生物共聚物的設(shè)計(jì)、合成及光伏性能研究55-69
• 3.1 引言55-56
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分56-59
• 3.2.1 原料和試劑56
• 3.2.2 材料的表征設(shè)備和儀器56-57
• 3.2.3 聚合物太陽能電池器件的制備57
• 3.2.4 器件制備及測試所需儀器設(shè)備57
• 3.2.5 單體及聚合物的合成57-59
• 3.3 結(jié)果與討論59-66
• 3.3.1 合成及性能表征59-60
• 3.3.2 聚合物的熱穩(wěn)定性60
• 3.3.3 聚合物的光學(xué)性能60-61
• 3.3.4 聚合物的電化學(xué)性能61-62
• 3.3.5 聚合物的太陽能電池性能62-64
• 3.3.6 聚合物太陽能電池外量子效率64
• 3.3.7 聚合物太陽能電池遷移率64-65
• 3.3.8 原子力顯微圖像65-66
• 3.4 本章小結(jié)66-67
• 3.5 附錄67-69
• 4 超共軛側(cè)鏈對(duì) D A 型聚合物熱力學(xué)、光學(xué)及光伏性能影響研究69-79
• 4.1 引言69-70
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分70-72
• 4.2.1 原料和試劑70
• 4.2.2 材料的表征設(shè)備和儀器70
• 4.2.3 聚合物太陽能電池器件的制備70
• 4.2.4 器件制備及測試所需儀器設(shè)備70
• 4.2.5 單體及聚合物的合成70-72
• 4.3 結(jié)果與討論72-77
• 4.3.1 合成及性能表征72
• 4.3.2 聚合物的熱力學(xué)性能72-73
• 4.3.3 聚合物的光學(xué)性能73-76
• 4.3.4 聚合物太陽能電池性能76-77
• 4.4 本章小結(jié)77
• 4.5 附錄77-79
• 本論文總結(jié)79-81
• 參考文獻(xiàn)81-93
• 致謝93-95
• 個(gè)人簡歷95
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文95-97

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