吡嗪聚合物和卟啉小分子的合成及其光伏性能研究

【摘要】：隨著全球能源危機的到來，尋找新型、無污染的可再生能源已成為一個世界性的課題。低成本，輕質(zhì)和柔性薄膜器件的有機光伏技術能有效地利用取之不竭用之不盡的太陽能，已經(jīng)引起了眾多研究者的注意。 為了獲得理想的活性材料，科學家們一直致力于通過分子設計來優(yōu)化材料的屬性。由電子給體單元和電子受體單元交替構成的D-A型聚合物具有較好的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移能力，可有效調(diào)節(jié)分子的能級和帶隙，是一個很重要的太陽能電池材料設計方向。近年來，二維共軛聚合物在調(diào)節(jié)聚合物電子結(jié)構方面受到了廣泛關注。在給體單元的側(cè)鏈上引入共軛基團得到的D-A型聚合物已取得了一定的成果，然而對共軛聚合物受體單元的側(cè)鏈進行修飾還未進行較深入的研究。我們選取苯并吡嗪作為受體單元，并對其側(cè)鏈進行修飾，得到了一系列具有不同共軛側(cè)鏈的苯并吡嗪衍生物。以與平面結(jié)構較大的苯并二噻吩為電子給體單元，苯并吡嗪衍生物為電子受體單元共聚得到了相應的D-A(D)型二維聚合物，并系統(tǒng)研究了共軛聚合物主鏈中受體單元上不同共軛側(cè)鏈對聚合物光學吸收、電子能級、電荷遷移率和光伏性能的影響。其中，基于PBDT-TQ和PBDT-PTQ的光伏器件其效率可以分別達到4.37%和3.58%，基于PTH-PQ和PTH-PTQ的光電轉(zhuǎn)換效率分別為2.51%和1.36%。 同時，我們也選取了單個噻吩為電子給體，以連有不同側(cè)鏈的苯并吡嗪為電子受體，共聚得到了一系列二維共軛聚合物，并詳細研究了不同共軛側(cè)鏈對聚合物的光學性質(zhì)、電化學性質(zhì)及光伏性能的影響。其中，以PC_(70)BM為受體，基于PTH-TTQ的光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率可提高至3.66%。 這兩項研究表明，受體單元上不同的共軛側(cè)鏈會改變聚合物主鏈上的電子云分布，影響聚合物中電子的π-π*躍遷和分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移，同時還會使分子的自組裝能力發(fā)生變化，從而影響聚合物的光伏性能。 除了采用稠環(huán)體系，增大芳香環(huán)之間的共平面性也有助于π共軛體系的增大和電荷傳輸。我們選取缺電子的亞乙炔基作為橋聯(lián)鍵來增加分子內(nèi)的共平面性，設計并合成了以2,3-二(4-十二烷氧基苯)-5,7-二(2-噻吩基)噻吩[3,4-b]并吡嗪為受體單元，分別與沒有橋連基的2,5-二(十二烷氧基)苯和以乙炔撐作為橋連基的烷氧基苯為給體單元共聚得到兩種聚合物PP-DTTP和PPE-DTTP，并研究了乙炔撐橋連基團對聚合物太陽能電池的影響。其中，聚合物PPE-DTTP器件經(jīng)過優(yōu)化后其光電轉(zhuǎn)換效率可提高至1.20%，而帶隙更低的PP-DTTP的光電轉(zhuǎn)換效率僅能達到0.30%。 卟啉由于具有大的π共軛體系和高的摩爾吸光系數(shù)，電子能夠快速地從給體轉(zhuǎn)移到受體，原料來源豐富，容易合成，且能夠通過外圍基團和空腔金屬的修飾來改變它的物理化學性質(zhì)得到了廣泛關注?；谶策男》肿庸夥姵氐男室呀咏?%，因此，我們設計并合成了以卟啉為給體單元，吡咯并吡咯二酮和乙炔撐為受體的D-A型原卟啉小分子H2PDPP，同時獲得了中心金屬分別為鋅、銅和具有三線態(tài)性質(zhì)的鉑的金屬卟啉小分子（CuPDPP、ZnPDPP和PtPDPP）。其中，鉑卟啉PtPDPP中具有d8電子結(jié)構鉑離子可與卟啉配體之間形成具有三重態(tài)特征的激發(fā)態(tài)，這一特性可增加激子壽命，從而增大激子的傳輸距離，增大電子-空穴對在復合前被電極收集的幾率，有利于改善分子的光伏性能。同時，詳細研究了不同性質(zhì)的金屬卟啉和原卟啉分子的光學性質(zhì)和電化學性質(zhì)。而且，我們制備了基于ZnPDPP的光伏器件，其光電轉(zhuǎn)換效率為4.93%，該器件的效率還有極大地提升空間。對該器件的優(yōu)化和其他小分子材料的表征還在進一步進行中。 【關鍵詞】：共軛側(cè)鏈 吡嗪 乙炔撐 金屬卟啉 太陽能電池
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：O631.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-38
• 1.1 前言13-14
• 1.2 有機太陽能電池的基本原理、性能參數(shù)及其影響因素14-17
• 1.2.1 有機太陽能電池的基本原理14-15
• 1.2.2 有機太陽能電池的性能參數(shù)15-16
• 1.2.3 有機太陽能電池性能的影響因素16-17
• 1.3 聚合物為給體材料應用于有機太陽能電池的研究進展17-26
• 1.3.1 聚對苯撐乙烯撐（PPV）衍生物17-18
• 1.3.2 聚噻吩及其衍生物18-20
• 1.3.3 窄帶隙 D-A 共聚物20-26
• 1.4 小分子為給體材料應用于有機太陽能電池的研究進展26-35
• 1.4.1 苯并噻二唑類26-27
• 1.4.2 基于吡咯并吡咯二酮構建的給體-受體有機小分子27-29
• 1.4.3 氰基類給體-受體有機小分子29-31
• 1.4.4 基于其它吸電子基團構建的給體-受體有機小分子31-33
• 1.4.5 基于卟啉及其衍生物為給體材料的有機小分子33-35
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處35-38
• 1.5.1 本論文的研究內(nèi)容35-36
• 1.5.2 本論文的創(chuàng)新之處36-38
• 第二章 苯并二噻吩與具有不同共軛側(cè)鏈的吡嗪共聚物的合成及光伏性能研究38-59
• 2.1 引言38-39
• 2.2 實驗部分39-47
• 2.2.1 原料與試劑39-40
• 2.2.2 表征設備及儀器40
• 2.2.3 單體的合成40-46
• 2.2.4 聚合物的合成46-47
• 2.3 結(jié)果與討論47-57
• 2.3.0 聚合物的穩(wěn)定性能47-48
• 2.3.1 聚合物的光學性質(zhì)48-51
• 2.3.2 量子化學計算51-52
• 2.3.3 電化學行為52-53
• 2.3.4 溶解性53
• 2.3.5 聚合物的光伏性能研究53-55
• 2.3.6 表面形貌研究55-56
• 2.3.7 外量子效率(EQE)56-57
• 2.3.8 空穴遷移率57
• 2.4 本章小結(jié)57-59
• 第三章 噻吩與具有不同共軛側(cè)鏈的吡嗪共聚物的合成及光伏性能研究59-74
• 3.1 引言59-60
• 3.2 實驗部分60-64
• 3.2.1 原料與試劑60
• 3.2.2 表征設備及儀器60-61
• 3.2.3 單體的合成61-62
• 3.2.4 聚合物的合成62-64
• 3.3 結(jié)果與討論64-73
• 3.3.1 熱重分析64
• 3.3.2 聚合物的光學性質(zhì)64-67
• 3.3.3 聚合物的電化學性質(zhì)67-68
• 3.3.4 聚合物的光伏性能68-70
• 3.3.5 聚合物的外量子效率70-71
• 3.3.6 電荷遷移率71-73
• 3.4 本章小結(jié)73-74
• 第四章 主鏈含有乙炔撐的噻吩并吡嗪聚合物的合成及其對光電性能的影響74-87
• 4.1 前言74-75
• 4.2 實驗部分75-78
• 4.2.1 原料與試劑75
• 4.2.2 表征設備及儀器75-76
• 4.2.3 單體的合成76-77
• 4.2.4 聚合物的合成77-78
• 4.3 結(jié)果與討論78-86
• 4.3.1 聚合物的光學性能78-79
• 4.3.2. 聚合物的電化學性能79-80
• 4.3.3. 空穴遷移率80-81
• 4.3.4. 量子化學計算81-83
• 4.3.5. 聚合物的光伏性能83-86
• 4.4 本章小結(jié)86-87
• 第五章 具有不同金屬離子的 A-D-A 型金屬卟啉的合成及其對性能影響87-102
• 5.1 引言87-88
• 5.2 實驗部分88-94
• 5.2.1 原料與試劑88-89
• 5.2.2 表征設備及儀器89
• 5.2.3 中間體的合成89-93
• 5.2.4 目標小分子的合成93-94
• 5.3 結(jié)果與討論94-101
• 5.3.1 目標小分子的合成與表征94-95
• 5.3.2 小分子的紫外吸收特性95-97
• 5.3.3 小分子的電化學性質(zhì)97-99
• 5.3.4 小分子的光伏性能研究99-101
• 5.4 本章小結(jié)101-102
• 結(jié)論102-104
• 參考文獻104-121
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果121-123
• 致謝123-124
• 答辯委員會對論文的評定意見124

您可以在本站搜索以下學術論文文獻來了解更多相關內(nèi)容

新型能源-風力發(fā)電在國內(nèi)外的發(fā)展狀況    朱洪波,張俊杰,霍福鵬

聚合物太陽電池光伏材料    何有軍;李永舫;

可溶液加工給體-受體有機小分子太陽能電池材料研究進展    李在房;彭強;和平;王艷玲;侯秋飛;李本林;田文晶;

走新型能源替代傳統(tǒng)能源之路    王云嶺;高存;

基于LCA對風力發(fā)電機的環(huán)境負荷分析    高成康;董家華;祝偉光;王偉;

聚3-己基噻吩的合成及表征    宮玉梅;夏令明;梁青;郭靜;張鴻;

有機層/陰極界面修飾對體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池性能的影響    張永志;李福山;吳朝興;蔡壽金;郭太良;

Rapid recovery of polycrystalline silicon from kerf loss slurry using double-layer organic solvent sedimentation method    Peng-fei Xing;Jing Guo;Yan-xin Zhuang;Feng Li;Gan-feng Tu;

基底溫度對噴涂技術制備大面積有機太陽能電池性能的影響    胡雪花;李福山;吳朝興;郭太良;

基于聚噻吩衍生物的太陽能電池研究進展    周立弟;胡小丹;王少洪;侯朝霞;王美涵;

量子點-聚合物納米復合材料的研究進展    駱樂;向衛(wèi)東;謝翠萍;鐘家松;梁曉娟;鄒軍;呂春燕;

玻璃襯底多晶硅薄膜太陽電池    吳波;王偉楊;魏相飛;

苯胺類與2,1,3-苯并硒二唑共軛共聚物的金屬配合物催化法合成及其碘摻雜    吐尼莎古麗·阿吾提;麥麥提依明·馬合木提;韓艷;司馬義·努爾拉;

溶劑預處理結(jié)合熱退火提升聚噻吩結(jié)晶度及其光伏性能    李暢;章婷;薛唯;

基于生命周期評價分析風力發(fā)電的環(huán)境負荷    祝偉光;高成康;蔡九菊;

風電并網(wǎng)技術的發(fā)展現(xiàn)狀    云天吉;翁莎莎;

窄帶隙共軛聚合物的制備與光伏性能研究    鄧丹

反型體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池的研究    陶晨

基于硅納米線陣列的有機/無機雜化光伏電池的制備及性能表征研究    申小娟

噴涂法制備聚合物太陽能電池器件研究    陳征

有機—無機雜化光伏電池中的界面效應及調(diào)控研究    張付特

基于電極界面層調(diào)控實現(xiàn)電池高效聚合物太陽池的研究    何志才

星形齊聚噻吩衍生物的制備及其光、電性能與應用研究    關麗

一維殼核式復合半導體雜化敏化太陽能電池的研究    孫寶

電子元器件輻射退化靈敏表征方法研究    孫鵬

基于卟啉的小分子和聚合物的合成及其光伏性能研究    黃玉英

雙饋風電機組并網(wǎng)穩(wěn)定性研究    張忠志

基于苯并噻二唑、吡咯并吡咯二酮的有機光伏材料的合成及其性能研究    倪美君

新型水溶性聚噻吩類衍生物的合成與表征    張?zhí)K艷

風力機旋轉(zhuǎn)葉片動力特性及響應分析    信偉平

風力機控制狀態(tài)和過程的仿真模擬研究及軟件開發(fā)    鄭存家

基于實測運行數(shù)據(jù)的風電場整體模型的研究    胡雅娟

中國風電特許權項目綜合分析及改進建議研究    李越

變速恒頻雙饋風力發(fā)電勵磁控制策略研究    宋同富

1.5MW變速恒頻風力發(fā)電機組氣動與結(jié)構設計技術    宋聚眾

雙饋感應風力發(fā)電機低壓穿越控制策略研究    郭登科

風力發(fā)電綜述與我國的開發(fā)設想    陳宗器

基于苯并噻二唑的菁染料敏化劑的合成與光伏性能研究    李晶;武文俊;賀錦香;花建麗;

有機太陽能電池材料研究新進展    張?zhí)旎?樸玲鈺;趙謖玲;徐征;楊磊;劉祥志;鞠思婷;

方酸菁染料在有機太陽能電池中的研究進展    王振宇;王如勇;傅南雁;

21世紀風力發(fā)電前景    施鵬飛

我國風電場裝機現(xiàn)狀    劉家澄

新型C_(60)衍生物的合成及其太陽能電池性能    鄭立平,周清梅,王飛,鄧先宇,俞剛,曹鏞,寧濱,郭志新

聚合物發(fā)光材料    李建科，漆宗能，王佛松

共軛聚合物復合抗靜電油罐涂料    魯照玲

共軛聚合物/C_(60)復合體系及其在光伏打電池中的應用    黃紅敏,賀慶國,藺洪振,楊俊林,白鳳蓮

聚苯類共軛聚合物的合成及熒光特性研究    李建科,陽明書,漆宗能,王佛松

非線性光學聚合物材料    杜仕國

基于共軛高分子納米復合材料發(fā)光二極管的研究進展    王萍萍,陳國華,吳大軍,徐金瑞

含噁二唑單元共軛聚合物合成與性質(zhì)研究    陳令武,劉田東,成義祥

含萘單元共聚物的合成與性質(zhì)研究    陳令武,宋金峰,劉田東,成義祥

CdSe納米晶/共軛聚合物太陽電池的制備與性能研究    劉艷山;王藜;曹鏞;

共軛聚合物對有機場效應晶體管的調(diào)控作用    吳衛(wèi)平;劉云圻;鄒應萍;李永舫;朱道本;

微波輔助高質(zhì)量共軛聚合物合成    張文思;路萍;馬於光;

新型共軛聚合物熒光探針設計及其在生物檢測與成像中的應用研究    王樹;

共軛聚合物熒光探針:生物檢測、成像與生物醫(yī)藥應用    王樹;

側(cè)鏈含氨基的聚對苯撐乙炔/咔唑共軛聚合物的合成及發(fā)光性質(zhì)的研究    劉暘;楊凱;孫書;石建兵;佟斌;支俊格;董宇平;

用于TNT爆炸物檢測新型熒光共軛聚合物的制備及性能研究    陳意銘;廖明義;金美花;黃麗;

一類共軛聚合物半導體的設計、合成與性能    陳杜剛;韓康;蘭凌燕;鐘成;秦金貴;

基于帶吸電子基團的苯并二噻吩衍生物的新型共軛聚合物的合成及其光伏性能    趙斌;聶玉娟;湯鵬;譚松庭;

新型氮雜芴基超分子共軛聚合物凝膠的制備與表征    林宗瓊;林進義;李偉杰;張超;解令海;儀明東;黃維;

含聯(lián)苯共軛聚合物的合成    張磊;崔元臣;

塑料芯片技術不斷發(fā)展    吳映紅

TFEL：強力挑戰(zhàn)LCD    北方交通大學　　滕 楓　徐 征　趙謖玲

進軍多學科前沿交叉新領域    本報記者 操秀英

吸附儲氫材料研究獲進展    陶加

大連化物所提高儲氫能力    

長春應化所發(fā)明新型共軛高分子材料    于洋　記者 李泳溈

聚芳烴二炔類水溶性共軛聚合物的合成及其在傳感器中的應用研究    曾文南

熒光共軛聚合物的合成、表征及熒光傳感特性    馮繼昌

新型給體—受體共軛聚合物的設計、合成及其有機光伏太陽能電池性能研究    胡超

水醇溶性有機光電材料與受體懸掛式共軛聚合物的合成與性能研究    段春暉

具有光活性的電子給體/受體雙纜型共軛聚合物的設計、合成和性能研究    李明華

基于共軛聚合物的新型熒光傳感薄膜的創(chuàng)制及相關檢測儀器的研制    何剛

分子刷型水溶性共軛聚合物的合成、表征與傳感應用研究    張志勇

新型共軛聚合物的合成及其光電性能研究    王曉晨

新型共軛聚合物的設計、合成及光電性能研究    曹康麗

星狀共軛聚合物的單分子膠束化發(fā)光策略及其應用    邱豐

熒光共軛聚合物合成及其在金屬離子檢測中的應用    王安寧

兩種新型熒光共軛聚合物的合成及其對非離子表面活性劑的分析應用    郝丹

炔基取代的多色功能共軛聚合物的合成及衍生修飾    雷艷麗

新型聚苯撐乙炔類共軛聚合物的合成以及熒光傳感研究    唐雪艷

含芘基團的共軛發(fā)光小分子和梯型共軛聚合物的合成與表征    劉薇

新型水溶性聚苯乙炔—吡啶類共軛聚合物的合成及熒光傳感應用研究    胡玉琴

用于太陽能電池的窄帶隙共軛聚合物的合成與性能研究    李彬

二類不同共軛聚合物的合成及對金屬離子識別性的研究    王成智

含苯并三氮唑單元的π共軛聚合物的合成與性能研究    古麗巴哈爾·達吾提

水溶性共軛聚合物熒光傳感器的制備與應用    李亞楠