基于咔唑并二噻二唑和二噻吩硅雜環(huán)戊二烯的D-A共軛聚合物有機(jī)太陽能電池分子設(shè)計

【摘要】：聚合物主體異質(zhì)結(jié)電池的性能已經(jīng)得到了很大的提高,最有潛力的聚合物主體異質(zhì)結(jié)電池的活性層是由共軛聚合物給體和富勒烯衍生物通過溶液共混獲得的。近幾年,聚合物太陽能電池受到了人們廣泛的關(guān)注,由于它易加工,器件結(jié)構(gòu)簡單,成本低,質(zhì)量輕,可溶液加工以及能制備成大面的柔性器件等很多優(yōu)點(diǎn)。最近,PSCs的光電轉(zhuǎn)化率(PCE)已經(jīng)超過8%。但是這個效率仍然不能滿足商業(yè)化的要求。因此,PSCs主要的研究在于提高器件的PCE,而提高PCE的重點(diǎn)在于設(shè)計和合成高效的共軛聚合物給體。一種理想的共軛聚合物光伏材料應(yīng)該具有寬的光譜吸收、理想的HOMO和LUMO能級以及高的載流子遷移率。為了得到高性能的光伏材料,本文合成了一種電子受體單元和一種電子給體單元,并進(jìn)一步合成了給體-受體結(jié)構(gòu)的共軛聚合物。 基于咔唑設(shè)計合成了一個新的單體,N-十二烷基-2,7-二溴-咔唑并[3,4-c：5,6-c]二噻二唑(CBT),由兩個噻二唑連接在咔唑的3,4-和5,6-位上形成兩個5元稠環(huán)而構(gòu)成,并且和苯并噻二唑(BDT)通過Stille偶聯(lián)獲得獲得了新的D-A共軛聚合物：聚{N-十二烷基-咔唑并[3,4-c：5,6-c]二噻二唑-alt-4,8-雙(2-乙基己基氧基)苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩}(PCBTBDT)。該聚合物具有較低的分子最高占有軌道(HOMO)-5.41eV和較寬的紫外吸收,同時與太陽光子流密度相匹配。當(dāng)聚合物與[6,6]-苯基-C61丁酸酸甲基酯(PC61BM)共混制成器件時,光電轉(zhuǎn)化效率PCE為2.0%,同時有較高的開路電壓(Voc)0.77V。通過退火和添加1,8-二碘辛烷等優(yōu)化后,器件效率反而降低了。這是由于強(qiáng)的共平面結(jié)構(gòu)使得分子間的作用加強(qiáng),以上的優(yōu)化操作使聚合物形成更大的相聚集,最終減小了異質(zhì)結(jié)的面積,破壞了電荷傳輸?shù)耐ǖ馈? 基于二噻吩硅雜環(huán)戊二烯(DTS)和含有酮基的噻吩并[3,4-b]噻吩(TT)衍生物,通過stille偶聯(lián)獲得聚{4,4’-二(2-乙基己基)-二噻吩[3,2-b：2',3’-d]硅-alt-1-(噻吩[3,4-b]噻吩-2-基)-2-乙基己基-1-酮}(PDTSTT)和聚{4,4'--(2-乙基己基)-二噻吩[3,2-b：2',3'-d]硅-alt-1-(4,6-二(4-乙基己基噻吩-2-基)噻吩[3,4-b]噻吩-2-基)-2-乙基己基-1-酮}(PDTSDTTT),應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池中,并研究引入橋連噻吩對后,對幾何結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。聚合物PDTSTT和PDTSDTTT的光學(xué)帶隙分別為1.54和2.02eV,并且兩個具有較低的HOMO能級,分別為-5.47和-5.37eV。對比PDTSTT,在聚合物中引入橋連噻吩,有利于減少DTS與TT之間的空間位阻,從而減小了DTS與TT之間的二面角。即使PDTSTT有更寬的吸收,但是PDTSDTTT平面性好,增加了共軛長度,并且活性層形成了好的表面形貌有利于電荷的分離傳輸。因此在AM1.5G,100mW/cm2的光照下,PDTSDTTT/PC61BM (1:1wt.%)獲得的PCE為1.0%,而PDTSTT/PC61BM(1:2wt.%)只有0.7%。 【關(guān)鍵詞】：共軛聚合物 能級 聚合物太陽能電池 光伏性能 能量轉(zhuǎn)化效率
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：O631.3;TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 緒論9-31
• 1.1 引言9
• 1.2 聚合物有機(jī)太陽能電池9-13
• 1.2.1 聚合物太陽電池的工作原理和器件結(jié)構(gòu)9-12
• 1.2.2 聚合物太陽能電池的主要性能參數(shù)12-13
• 1.3 合理的設(shè)計給體13-16
• 1.3.1 給體材料應(yīng)具有的性質(zhì)13-15
• 1.3.2 調(diào)節(jié)共軛聚合物能帶間隙的方法15-16
• 1.3.3 其他方面16
• 1.4 有機(jī)太陽能電池中的共軛聚合物16-29
• 1.4.1 聚噻吩類17-19
• 1.4.2 給體(D)-受體(A)類型窄帶隙聚合物19-22
• 1.4.3 給體(D)-受體(A)類型較寬帶隙聚合物22-24
• 1.4.4 包含噻吩并[3,4-b]噻吩形成了窄帶隙共軛聚合物24-27
• 1.4.5 二維共軛聚合物27-29
• 1.5 本課題提出的意義和研究內(nèi)容29-31
• 第2章 基于咔唑并二噻二唑與苯并二噻吩的聚合物合成和光學(xué)性能研究31-48
• 2.1 引言31-32
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分32-36
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料32
• 2.2.2 驗(yàn)儀器及分析表征手段32-33
• 2.2.3 器件制備和性能表征33-34
• 2.2.4 單體的合成34-36
• 2.3 結(jié)果與討論36-47
• 2.3.1 單體和聚合物結(jié)構(gòu)表征36-37
• 2.3.2 聚合物的熱穩(wěn)定性37-38
• 2.3.3 聚合物的光學(xué)性能38-41
• 2.3.4 聚合物的電化學(xué)性質(zhì)41-43
• 2.3.5 聚合物的微觀結(jié)構(gòu)43-44
• 2.3.6 聚合物的光伏性能44-46
• 2.3.7 共混薄膜的表面形貌46-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第3章 基于二噻吩硅雜環(huán)戊二烯和噻吩并[3,4-b]噻吩衍生物共聚物的合成及光伏性能的研究48-65
• 3.1 引言48-49
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分49-52
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料49
• 3.2.2 試劑的純化49
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器及表征手段49-50
• 3.2.4 器件制備和性能表征50-51
• 3.2.5 單體和聚合物的合成51-52
• 3.3 結(jié)果與討論52-63
• 3.3.1 單體和聚合物的合成及表征52-54
• 3.3.2 聚合物的熱穩(wěn)定性54-55
• 3.3.3 聚合物的光學(xué)性能55-57
• 3.3.4 聚合物的電化學(xué)性能57-58
• 3.3.5 聚合物的微觀結(jié)構(gòu)58-59
• 3.3.6 聚合物的光伏性能59-61
• 3.3.7 共混膜的表面形貌61-63
• 3.4 本章小結(jié)63-65
• 第4章 結(jié)論與展望65-67
• 4.1 結(jié)論65-66
• 4.2 展望66-67
• 致謝67-68
• 參考文獻(xiàn)68-76
• 讀學(xué)位期間的研究成果76

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