基于聚噻吩衍生物的有機太陽能電池材料的研究

【摘要】：隨著人類社會的快速發(fā)展，尋求并有效利用可持續(xù)的、不受地域限制的、安全綠色的能源是未來發(fā)展的主要方向。目前，對于太陽能的開發(fā)利用已經(jīng)成為研究的焦點，而將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁亲钣行У睦檬侄?。因此，太陽能電池已?jīng)受到人們普遍的關(guān)注，其中無機太陽能電池已經(jīng)被商業(yè)化，但考慮到無機太陽能電池的高成本、工藝復(fù)雜，人們已經(jīng)著眼于有機太陽能電池。 目前，P3HT（聚3-己基噻吩）為電子給體和PCBM（C60富勒烯衍生物）為電子受體的體異質(zhì)結(jié)聚合物有機太陽能電池由于其成本低廉、容易加工（可用旋涂、噴墨、滾筒印刷等方式大規(guī)模生產(chǎn)）等優(yōu)勢成為了最有商業(yè)化潛質(zhì)的有機太陽能電池體系，但其光電轉(zhuǎn)換效率尚不理想。作為有機太陽能電池的基礎(chǔ)，設(shè)計和合成性能優(yōu)異的有機活性層材料是提高和改善有機太陽能電池性能的關(guān)鍵。本論文對基于聚噻吩衍生物的有機太陽能電池的材料進行研究，主要是對基于P3HT（聚3-己基噻吩）為電子給體的有機太陽能電池的給體材料進行研究。通過合成新的聚合物，并將其與P3HT摻雜拓寬對太陽光譜的吸收，進而提高有機太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。 在這篇論文中，我們合成了兩種目標單體、四種聚合物，并對它們的分子量、紫外光譜、熒光光譜、核磁共振氫譜、模擬性質(zhì)進行了研究，并探討了分子結(jié)構(gòu)和某些性能之間的聯(lián)系，希望能為進一步探索性能更加優(yōu)異的有機太陽能電池奠定基礎(chǔ)。論文主要內(nèi)容如下： 1.詳細介紹了有機太陽能電池的作用機理、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)及材料的研究進展。 2.合成了兩種芴乙烯衍生物：9,9-二丁基-2-乙烯基-芴(9,9-dibutyl-2-vinyl-fluorene)、9,9-二己基-2-乙烯基-芴（9,9-dihexyl-2-vinyl-fluorene）。測試了紫外吸收和熒光發(fā)射光譜；采用密度泛函(DFT)和含時密度泛函的方法對其幾何結(jié)構(gòu)和激發(fā)態(tài)進行模擬計算，與我們的實驗結(jié)果基本一致；利用1HNMR對單體的結(jié)構(gòu)進行了表征，測試結(jié)果證實產(chǎn)物為目標產(chǎn)物。 3.分別以9,9-二丁基-2-乙烯基-芴、9,9-二己基-2-乙烯基-芴為單體，合成了兩種均聚物PBF、PHF;將兩種單體分別與9-乙烯基-咔唑聚合，合成了兩種共聚物PBF-CaZ、PHF-CaZ。利用凝膠滲透色譜（GPC）測試聚合物的分子量，證明是大分子。利用紫外和熒光技術(shù)分別探討了溶液態(tài)和薄膜態(tài)聚合物的分子結(jié)構(gòu)與光學性能之間的關(guān)系，得出：僅僅是碳鏈長度的變化對紫外吸收的影響很小；與單體相比，聚合反應(yīng)時雙鍵變成單鍵，減小了體系的共軛程度，導致最大吸收峰發(fā)生藍移；共聚物與單體、均聚物相比，雙鍵發(fā)生聚合變成單鍵，最大吸收峰藍移。CH2的隔離效應(yīng)，導致共聚物的紫外吸收是芴和咔唑的生色團吸收的疊加。 4.將PBF、PHF、PBF-CaZ、PHF-CaZ分別與P3HT摻雜，利用紫外吸收光譜對薄膜態(tài)共混物的分子結(jié)構(gòu)與光學性能之間的關(guān)系進行了探討。PBF-CaZ摻雜P3HT、PHF-CaZ摻雜P3HT的薄膜的吸收光譜是芴、咔唑以及P3HT三者之間吸收峰的疊加，沒有出現(xiàn)其它的吸收峰，也沒有發(fā)生吸收峰位置的移動，證明PBF-CaZ、PHF-CaZ與P3HT基態(tài)之間無明顯相互作用。共聚物吸收的是400nm以下的太陽光譜，而P3HT吸收的太陽光譜的范圍是400—600nm，因此聚合物與P3HT摻雜之后將擴大對太陽光譜的吸收范圍，從而使有機太陽能電池效率的進一步提高成為可能。 【關(guān)鍵詞】：有機太陽能電池 P3HT 給體材料 芴乙烯衍生物 聚合物
【學位授予單位】：沈陽大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-28
• 1.1 引言12-13
• 1.2 有機太陽能電池的作用機理、結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)13-19
• 1.2.1 有機太陽能電池的作用機理13-15
• 1.2.2 有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)15-17
• 1.2.3 有機太陽能電池的性能參數(shù)17-19
• 1.3 有機太陽能電池材料的研究進展19-26
• 1.3.1 陽極和陰極材料19-20
• 1.3.2 有機活性層材料20-25
• 1.3.3 材料對有機太陽能電池性能的影響25-26
• 1.4 本課題的立題依據(jù)和主要研究內(nèi)容26-28
• 2 實驗過程和測試方法28-36
• 2.1 實驗儀器與試劑28-29
• 2.1.1 實驗儀器28
• 2.1.2 實驗試劑28-29
• 2.2 材料的制備過程及合成路線29-33
• 2.2.1 芴-乙烯衍生物的合成30
• 2.2.2 聚芴系列物的合成30-32
• 2.2.3 聚芴系列物與 P3HT 進行摻雜32-33
• 2.3 材料的表征與測試33-36
• 2.3.1 核磁共振氫譜分析33
• 2.3.2 凝膠滲透色譜分析33-34
• 2.3.3 紫外可見吸收光譜分析34
• 2.3.4 熒光光譜分析34
• 2.3.5 計算機模擬性分析34-36
• 3 芴乙烯衍生物的合成及表征36-48
• 3.1 前言36
• 3.2 計算模擬性質(zhì)分析36-40
• 3.2.1 計算方法36
• 3.2.2 計算結(jié)果與分析36-40
• 3.3 芴乙烯衍生物的合成40-42
• 3.3.1 合成反應(yīng)40-41
• 3.3.2 9,9-二丁基-2-乙烯基-芴的合成41-42
• 3.3.3 9,9-二己基-2-乙烯基-芴的合成42
• 3.4 性能分析42-47
• 3.4.1 核磁共振分析42-43
• 3.4.2 光譜吸收性能分析43-45
• 3.4.3 熒光光譜分析45-47
• 3.5 本章小結(jié)47-48
• 4 聚芴系列物的合成及表征48-68
• 4.1 前言48
• 4.2 聚芴系列物的合成48-49
• 4.2.1 丁基芴乙烯均聚物（PBF）的合成48
• 4.2.2 己基芴乙烯均聚物（PHF）的合成48-49
• 4.2.3 丁基芴乙烯與乙烯基咔唑共聚物(PBF-CaZ)的合成49
• 4.2.4 己基芴乙烯與乙烯基咔唑共聚物(PHF-CaZ)的合成49
• 4.2.5 基于 P3HT 的聚芴系列物摻雜49
• 4.3 聚芴系列物的性能分析49-66
• 4.3.1 凝膠滲透色譜法（GPC）測定聚合物的分子量49-52
• 4.3.2 核磁共振氫譜分析52-55
• 4.3.3 光譜吸收性能分析55-64
• 4.3.4 熒光光譜性能分析64-66
• 4.4 本章小結(jié)66-68
• 5 結(jié)論68-70
• 參考文獻70-80
• 在學期間研究成果80-82
• 致謝82-83

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