基于苯并二噻吩及芴的聚合物光伏材料的合成和性能研究

【摘要】：本論文著重介紹了本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)聚合物太陽能電池(PSCs)的工作原理、光敏材料及器件的研究進(jìn)展。并綜述了BHJ–PSCs中幾種具有代表性的聚合物電子給體材料及其研究現(xiàn)狀。在BHJ–PSCs中,聚合物電子給體材料的分子能級(jí)、吸收光譜、溶解性、空穴遷移率及微相結(jié)構(gòu)等是影響能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)的重要因素。為此,本論文從調(diào)控共軛聚合物電子給體材料的分子能級(jí)、吸收光譜及微相結(jié)構(gòu)等方面出發(fā),設(shè)計(jì)并合成了一系列直鏈型、側(cè)鏈型及兩者結(jié)合的新型聚合物材料,并利用氣質(zhì)聯(lián)用、飛行質(zhì)譜及核磁共振氫譜和碳譜等檢測(cè)手段對(duì)所合成的中間產(chǎn)物和目標(biāo)聚合物進(jìn)行了表征。還通過紫外–可見吸收光譜(UV–Vis)和循環(huán)伏安法(CV)測(cè)試了目標(biāo)聚合物的光物理性質(zhì)和電化學(xué)性能,同時(shí)并研究了基于目標(biāo)聚合物為電子給體的BHJ–PSCs的光伏性能。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)以吡咯并[3,4-c]吡咯二酮(DPP)為電子受體單元及不對(duì)稱的4-(2-乙基己氧基)-8-(2-乙基己巰氧基)苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(SOBDT)或?qū)ΨQ的4,8-二(2-乙基己巰基)苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(DSBDT)為電子給體單元的共軛聚合物(PSOBDT–DPP和PDSBDT–DPP)。詳細(xì)研究了其烷巰基數(shù)量的不同及其分子對(duì)稱性的差異對(duì)目標(biāo)共聚物的光物理性質(zhì)、電化學(xué)及光伏性能的影響。研究表明,含對(duì)稱單元DSBDT的聚合物PDSBDT–DPP表現(xiàn)出了較低的HOMO能級(jí),有利于得到較高的開路電壓(Voc)。由于聚合物在常用有機(jī)溶劑中的溶解性較差,基于聚合物PSOBDT–DPP或PDSBDT–DPP為電子給體和PC61BM為電子受體的BHJ–PSCs的PCE值分別為0.42%和0.73%。2.為了避免聚合物PSOBDT–DPP溶解性較差和分子HOMO能級(jí)較高的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)基于不對(duì)稱單元SOBDT為給體單元及兩個(gè)不同的共軛側(cè)鏈5,6-二氟-4,7-二(4-(2-乙基己基)噻吩-2-基)-苯并[c][1,2,5]噻二唑(DTffBT)或6-(噻吩-2-基)-二(2-乙基己基)異靛(TID)為受體單元的側(cè)鏈型共軛聚合物PSOBDT–FBT和PSOBDT–TID,并研究了不同共軛側(cè)鏈對(duì)聚合物的溶解性、光物理性質(zhì)、電化學(xué)和光伏性能的影響。研究表明,兩個(gè)側(cè)鏈型共軛聚合物都表現(xiàn)出了良好的溶解性、熱穩(wěn)定性、成膜性及低的HOMO能級(jí)。相比于聚合物PSOBDT–TID,含DTffBT側(cè)鏈單元的聚合物PSOBDT–FBT展現(xiàn)出了更低的HOMO能級(jí)及與受體分子共混后更好的微觀相態(tài)?；赑SOBDT–FBT/PC61BM(1/2,w/w)和PSOBDT–TID/PC61BM(1/2,w/w)的BHJ–PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率分別為4.4%和2.2%。而基于PSOBDT–FBT/PC71BM(1/2,w/w)的BHJ–PSCs,在同時(shí)增大開路電壓(Voc)和短路電流(Jsc)的基礎(chǔ)上,其光電轉(zhuǎn)換效率也提升到了5.0%。這一結(jié)果表明,不對(duì)稱富電子單元SOBDT應(yīng)用于給–受體型低能隙共軛聚合物太陽能電池中可獲得較好的光伏性能。3.針對(duì)上述側(cè)鏈型聚合物吸收光譜較窄的缺點(diǎn),通過在聚合物主鏈上引入受體單元苯并[c][1,2,5]噻二唑(BT)或苯并吡嗪(Q),設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)雙受體側(cè)鏈型共軛聚合物PBDT–BT和PBDT–Q。研究表明,相比于聚合物PSOBDT–FBT,兩個(gè)聚合物的吸收光譜均稍有拓寬,有利于Jsc的增長(zhǎng)。基于聚合物PBDT–BT/PC61BM和PBDT–Q/PC61BM的BHJ–PSCs的PCE分別為1.70%和0.80%。而基于PBDT–BT/PC71BM的BHJ–PSCs,由于活性層的微觀相態(tài)的改善和IPCE響應(yīng)的增強(qiáng),其Jsc和填充因子(FF)均得到了增大,進(jìn)而將PCE值提升到了2.42%。4.設(shè)計(jì)并合成了三個(gè)基于9-(二(2-(2-乙基己基)-5-噻吩)-亞甲基)-芴(FDT)的共軛聚合物PFDT–BT、PFDT–DTBT和PFDT–TTBT。在三個(gè)聚合物中,FDT為給體單元,BT為受體單元,并用0~2個(gè)噻吩橋連。在9,9-二烷基芴的基礎(chǔ)上,FDT延長(zhǎng)了π共軛長(zhǎng)度和增強(qiáng)了電子離域能力。研究表明,隨著橋連噻吩數(shù)量的依次增多,聚合物的吸收光譜和HOMO能級(jí)分別依次紅移和上升。基于聚合物PFDT–BT、PFDT–DTBT和PFDT–TTBT為電子給體和PC61BM為電子受體的BHJ–PSCs,其PCE值分別為0.16%、1.26%和1.37%。5.為了獲得具有寬吸收光譜和低HOMO能級(jí)的聚合物給體材料,設(shè)計(jì)并合成了一系列基于不同比例的DPP和噻吩-乙烯基-二噻吩苯并噻二唑(TVDTBT)側(cè)鏈為受體單元和苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)為給體單元的三元無規(guī)共聚物P1、P2和P3。研究表明,三個(gè)共聚物均有良好的熱穩(wěn)定性,且其吸收光譜均覆蓋了300~900 nm的范圍。從聚合物P1到P3,隨著TVDTBT側(cè)鏈單元含量的依次增多,聚合物分子的HOMO能級(jí)依次降低。由于共聚物P3具有寬而強(qiáng)的吸收光譜、低的HOMO能級(jí)(–5.47 eV)、較高的空穴遷移率和較好的微觀結(jié)構(gòu),基于聚合物P3的BHJ–PSCs,在沒有添加任何處理劑的情況下,獲得了高達(dá)5.29%的PCE值。研究表明,三元無規(guī)共軛聚合物能同時(shí)增大PSCs的Jsc和Voc。這一合成策略為獲得高性能的聚合物太陽能電池提供了新思路。 【關(guān)鍵詞】：光電轉(zhuǎn)換效率 苯并二噻吩 聚合物太陽能電池 苯并噻二唑 側(cè)鏈
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O631
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-39
• 1.1 引言13
• 1.2 聚合物太陽能電池 (PSCs) 的發(fā)展簡(jiǎn)史13-15
• 1.3 PSCs的器件結(jié)構(gòu)及BHJ–PSCs的工作原理15-20
• 1.3.1 PSCs的器件結(jié)構(gòu)15-17
• 1.3.2 BHJ–PSCs的工作原理17-20
• 1.4 BHJ–PSCs的物理性能參數(shù)20-24
• 1.4.1 開路電壓 (Voc)21
• 1.4.2 短路電流 (Jsc)21
• 1.4.3 最大輸出電壓 (Vmax) 和最大輸出電流 (Jmax)21
• 1.4.4 最大輸出功率 (Pmax)21
• 1.4.5 填充因子 (FF)21
• 1.4.6 能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE)21-22
• 1.4.7 入射光子–電子轉(zhuǎn)化效率 (IPCE)22
• 1.4.8 BHJ–PSCs的輸出特性 (J–V曲線)22
• 1.4.9 BHJ–PSCs的串聯(lián)電阻 (Rs) 和并聯(lián)電子 (Rsh)22-24
• 1.5 BHJ–PSCs的電子給體和受體材料24-37
• 1.5.1 BHJ–PSCs的電子給體材料24-34
• 1.5.2 BHJ–PSCs的電子受體材料34-37
• 1.6 論文的設(shè)計(jì)思想和主要研究?jī)?nèi)容37-39
• 第2章 基于不對(duì)稱和對(duì)稱烷巰基取代苯并二噻吩的聚合物的合成及性能研究39-54
• 2.1 前言39-40
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分40-47
• 2.2.1 試劑、藥品及測(cè)試方法40
• 2.2.2 單體及聚合物的合成40-47
• 2.2.3 BHJ–PSCs器件的制備47
• 2.3 結(jié)果與討論47-53
• 2.3.1 單體和聚合物的合成與表征47-48
• 2.3.2 聚合物的熱穩(wěn)定性48-49
• 2.3.3 聚合物的光物理性質(zhì)49-50
• 2.3.4 聚合物的電化學(xué)性能50-51
• 2.3.5 聚合物的光伏性能研究51-53
• 2.4 本章小結(jié)53-54
• 第3章 含不對(duì)稱 4-(2-乙基己氧基)8(2-乙基己巰基)苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩的側(cè)鏈型聚合物的合成及性能研究54-68
• 3.1 前言54-55
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分55-59
• 3.2.1 試劑、藥品及測(cè)試方法55
• 3.2.2 側(cè)鏈型聚合物的合成55-59
• 3.2.3 BHJ–PSCs器件的制備59
• 3.3 結(jié)果與討論59-67
• 3.3.1 側(cè)鏈型聚合物的合成與表征59
• 3.3.2 側(cè)鏈型聚合物的熱穩(wěn)定性59-60
• 3.3.3 側(cè)鏈型聚合物的光物理性質(zhì)60-61
• 3.3.4 側(cè)鏈型聚合物的電化學(xué)性能61-62
• 3.3.5 側(cè)鏈型聚合物的空穴遷移率62-63
• 3.3.6 活性層的表面形貌63
• 3.3.7 側(cè)鏈型聚合物的光伏性能63-67
• 3.4 本章小結(jié)67-68
• 第4章 新型雙受體共軛側(cè)鏈型聚合物的合成及性能研究68-87
• 4.1 前言68-69
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分69-78
• 4.2.1 試劑、藥品及測(cè)試方法69
• 4.2.2 單體和聚合物的合成69-78
• 4.2.3 BHJ–PSCs器件的制備78
• 4.3 結(jié)果與討論78-86
• 4.3.1 側(cè)鏈型聚合物的合成與表征78-79
• 4.3.2 側(cè)鏈型聚合物的熱穩(wěn)定性79-80
• 4.3.3 側(cè)鏈型聚合物的光物理性質(zhì)80-82
• 4.3.4 側(cè)鏈型聚合物的電化學(xué)性能82
• 4.3.5 側(cè)鏈型聚合物的空穴遷移率82-83
• 4.3.6 活性層的形貌研究83-84
• 4.3.7 側(cè)鏈型聚合物的光伏性能研究84-86
• 4.4 本章小結(jié)86-87
• 第5章 基于 9-(二(2-(2-乙基己基)5噻吩)-亞甲基)-芴的共聚物的合成及性能研究87-106
• 5.1 前言87-88
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分88-98
• 5.2.1 試劑、藥品及測(cè)試方法88-89
• 5.2.2 單體及共聚物的合成89-97
• 5.2.3 BHJ–PSCs器件的制備97-98
• 5.3 結(jié)果與討論98-105
• 5.3.1 共聚物的合成與表征98
• 5.3.2 共聚物的熱穩(wěn)定性98-99
• 5.3.3 共聚物的光物理性質(zhì)99-101
• 5.3.4 共聚物的電化學(xué)性能101-102
• 5.3.5 活性層的表面形貌102-103
• 5.3.6 共聚物的光伏性能103-105
• 5.4 本章小結(jié)105-106
• 第6章 具有 300 ~ 900 nm寬吸收光譜的三元無規(guī)共聚物的合成及性能研究106-120
• 6.1 前言106-107
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分107-110
• 6.2.1 試劑、藥品及測(cè)試方法107
• 6.2.2 三元共聚物的合成107-110
• 6.2.3 BHJ–PSCs器件的制備110
• 6.3 結(jié)果與討論110-119
• 6.3.1 三元共聚物的合成與表征110-111
• 6.3.2 三元共聚物的熱穩(wěn)定性111
• 6.3.3 三元共聚物的光物理性質(zhì)111-114
• 6.3.4 三元共聚物的電化學(xué)性能114-115
• 6.3.5 活性層的表面形貌115-116
• 6.3.6 三元共聚物的光伏性能116-119
• 6.4 本章小結(jié)119-120
• 總結(jié)與展望120-122
• 參考文獻(xiàn)122-136
• 致謝136-137
• 附錄A 試劑、藥品及其純化方法137-140
• 附錄B儀器設(shè)備及測(cè)試條件140-141
• 在校期間發(fā)表的論文情況141

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