基于新型咔唑結構共聚物的設計合成及其光伏性能研究

【摘要】：過去的幾十年里,將太陽光轉(zhuǎn)化為電能而制備的太陽電池得到了科學界與工業(yè)界的廣泛關注。利用共軛聚合物為給體,富勒烯為受體,組成的本體異質(zhì)結聚合物太陽電池(PSCs),具有質(zhì)量輕,加工性能良好、柔韌性強、可大面積制備以及成本低等優(yōu)勢,使得它具有很好的應用前景。尋找具有寬光譜吸收、窄帶隙、高遷移率的聚合物給體材料來提高PSCs的效率是目前聚合物太陽電池的一個研究重點。咔唑及其衍生物在光電材料領域具有潛在的廣泛應用,通過對咔唑分子設計改造,合成一些新型的咔唑類結構,以提高整個分子的共平面性,增強分子內(nèi)π電子離域,提高電荷遷移能力等是一項很有意義的研究。本論文圍繞新型咔唑類結構的設計合成及其光伏應用開展一系列研究工作,主要內(nèi)容包括： 1、通過七步有機合成反應,成功地在咔唑的3-,4-,5-,6-號位引入對稱的噻二唑基團,得到一種新型D-A一體化稠環(huán)結構化合物N-烷基-2,7-二溴二噻二唑[3,4-b；7,8-b']咔唑(CBT)。將其與噻吩進行共聚,得到聚合物聚{N-烷基-二噻二唑[3,4-b；7,8-b']咔唑-連-噻吩}(PCBTT),紫外-可見光譜(UV-Vis)發(fā)現(xiàn)其光譜響應范圍為300-750nm。循環(huán)伏安測試(CV)和理論計算得到了聚合物PCBTT的HOMO/LUMO能級,結果表明該新型D-A稠環(huán)混合結構能很好地調(diào)控聚合物的分子能級。X-射線衍射(XRD),二維廣角X-射線散射(2D-WAXS)對其分子堆積進行表征和計算,得到了一個目前文獻已知最短的分子π-π堆積距離(0.32nnm)。將PCBTT與PC61BM (w/w=1/2)共混制得太陽電池器件,得到的太陽電池短路電流為2.69mA/cmm2,開路電壓為0.7V,光電轉(zhuǎn)換效率為0.4%。對于如此短的π-π堆積距離,聚合物的載流子遷移率卻不高,器件性能不佳,本章也給出了合理的解釋。 2、將N-烷基-2,7-二溴二噻二唑[3,4-b；7,8-b']咔唑(CBT)與二維結構的1,4-連二噻吩-2,3,5,6-苯并二噻吩(TBDT)、苯并二噻吩(BDT)和二噻吩并硅烷(DTS)等電子給體共聚制得了3個新型的聚合物PTBDTCBT,PBDTCBT和PDTSCBT以及均聚物PCBT。對這些聚合物進行了紫外-可見光譜(UV-Vis),循環(huán)伏安測試(CV),X-射線衍射(XRD)等系列實驗表征,得出了聚合物的光譜響應范圍,分子軌道能級和分子排列。在這些聚合物中,PDTSCBT具有最寬的光譜響應范圍,禁帶寬度只有1.53eV,但由于聚合物結晶性較差,分子間無良好的π-π堆積,導致其光電轉(zhuǎn)換效率只有1.52%。對于二維結構的PTBDTCBT,雖然其禁帶寬度比PDTSCBT大,但由于其良好的分子堆積,光電轉(zhuǎn)換效率為1.66%。而對于PBDTCBT,分子的微觀排列更加規(guī)整,其光電轉(zhuǎn)換效率達2.00%。研究表明,對于CBT類聚合物來說,分子的微觀排列對器件性能起著重要的影響。 3、為了簡化聚合物材料的合成工作,使用了一種全新的策略：無規(guī)共聚。本章中,將6H-苝[1,10,9,8-cdefg]咔唑(PC)作為電子給體,噻吩(T)為連接單元,噻二唑(BT)為電子受體進行了三元共聚,通過改變各個原料的初始投料比(PC：T：BT=3：4：1,2：3：1,1：2：1,1：3：2,1：4：3),得到了5個無規(guī)共聚物:PPC-T-BT_3PC, PPC-T-BT_2PC, PPC-T-BT_1PC, PPC-T-BT_1/2PC和PPC-T-BT_1/3PC。對這些聚合物進行了紫外-可見光譜(UV-Vis),循環(huán)伏安測試(CV),發(fā)現(xiàn)通過人為的控制投料比,可以調(diào)節(jié)聚合物的光譜響應范圍和分子的軌道能級。另外,將6H-苝[1,10,9,8-cdefg]咔唑和4',7'-雙-2-噻吩-2',1',3’-苯并噻二唑(DTBT)共聚合成了規(guī)則的D-A共聚物PPCDTBT,對比了無規(guī)共聚物和D-A共聚物的光譜吸收和分子能級等性能指標。將無規(guī)共聚物和D-A共聚物PPCDTBT與PC61BM(w/w=1/2)共混制得太陽電池器件。結果表明,無規(guī)共聚物PPC-T-BT_2PC具有最好的器件性能(1.9%),而PPCDTBT的器件性能為2.3%。此外,二者在其他各個方面的性能,如熱穩(wěn)定性,光譜吸收、帶隙寬度、共混膜的膜形態(tài)、聚合物的結晶性等差距都不大,可相互媲美,說明無規(guī)共聚在制備寬吸收光譜、窄帶隙、高光電轉(zhuǎn)換效率的聚合物方面具有良好的應用前景。 4、3,6-二噻吩-吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(DPP)具有高穩(wěn)定性,耐候性,消光系數(shù)大,缺電子等優(yōu)越性能,將其作為電子受體,噻吩(T)為連接單元,與電子給體6H-苝[1,10,9,8-cdefg]咔唑(PC)進行了三元共聚,通過改變各個原料的初始投料比(PC：T：DPP=1：3：2,1：2：1,2：3：1),得到3個無規(guī)共聚物：PPC-T-DPP_1/2PC, PPC-T-DPP_1PC, PPC-T-DPP_2PC。3個聚合物光譜吸收較寬,吸收邊帶到達了近紅外區(qū)。其中,PPC-T-DPP_1/2PC光電轉(zhuǎn)換效率最大,為2.0%。此外,加入添加劑1-氯萘優(yōu)化后器件性能得到進一步改善,PPC-T-DPP1/2PC短路電流有所增加,光電轉(zhuǎn)換效率達2.2%。 【關鍵詞】：聚合物太陽電池 窄帶隙聚合物 二噻二唑[3 4-b 7 8-b']咔唑 6H-花[1 10 9 8-cdefg]咔唑 分子堆積 無規(guī)共聚 D-A共聚
【學位授予單位】：南昌大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：O631.3;TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-44
• 1.1 引言11
• 1.2 聚合物太陽電池簡介與材料設計11-26
• 1.2.1 本體異質(zhì)結聚合物太陽電池的結構和原理11-12
• 1.2.2 聚合物太陽電池表征的幾個參數(shù)12-13
• 1.2.3 理想活性層材料13-15
• 1.2.4 聚合物太陽電池中共軛聚合物的結構特點15-17
• 1.2.5 D-A共軛聚合物的合理設計17-18
• 1.2.6 給體(donor)的設計思路18-23
• 1.2.7 受體(acceptor)的設計思路23-26
• 1.3 咔唑衍生物太陽電池的合成及性能研究26-33
• 1.4 本論文的研究內(nèi)容33-35
• 參考文獻35-44
• 第二章 基于二噻二唑并咔唑的合成及光伏性能研究44-68
• 2.1 前言44-46
• 2.2 實驗部分46-51
• 2.2.1 實驗試劑46-47
• 2.2.2 合成路線47-48
• 2.2.3 測試儀器48
• 2.2.4 合成步驟48-51
• 2.3 結果與討論51-61
• 2.3.1 各物質(zhì)的結構表征51-52
• 2.3.2 熱性能52-54
• 2.3.3 電性能54-55
• 2.3.4 光性能55-57
• 2.3.5 XRD表征57-58
• 2.3.6 2D-WAXS表征58-59
• 2.3.7 熒光光譜表征59-61
• 2.3.8 AFM表征61
• 2.4 器件的制作與性能檢測61-64
• 2.5 結論64-65
• 參考文獻65-68
• 第三章 基于二噻二唑并咔唑類共軛聚合物的合成、性能及其光伏應用68-87
• 3.1 前言68-70
• 3.2 實驗部分70-71
• 3.2.1 合成路線70
• 3.2.2 實驗試劑70
• 3.2.3 測試儀器70-71
• 3.2.4 合成步驟71
• 3.3 結果與討論71-79
• 3.3.1 結構表征71-73
• 3.3.2 熱性能73
• 3.3.3 光性能73-77
• 3.3.4 電性能77-79
• 3.4 器件的制作與性能檢測79-82
• 3.5 結論82
• 參考文獻82-87
• 第四章 苝咔唑/苯并噻二唑的三元共聚物的性能及其光伏應用87-103
• 4.1 前言87-88
• 4.2 實驗部分88-91
• 4.2.1 合成路線88-89
• 4.2.2 實驗試劑89
• 4.2.3 測試儀器89-90
• 4.2.4 合成步驟90-91
• 4.3 結果與討論91-97
• 4.3.1 結構表征91-92
• 4.3.2 熱性能92-93
• 4.3.3 光性能93-95
• 4.3.4 電性能95-97
• 4.4 器件的制作與性能檢測97-101
• 4.5 結論101
• 參考文獻101-103
• 第五章 基于苝咔唑/噻吩/DPP的三元共聚物及其光伏性能研究103-111
• 5.1 引言103
• 5.2 實驗部分103-105
• 5.2.1 合成路線103-104
• 5.2.2 實驗試劑104
• 5.2.3 測試儀器104
• 5.2.4 實驗步驟104-105
• 5.3 結果與討論105-107
• 5.3.1 結構表征105-106
• 5.3.2 光性能106-107
• 5.4 器件的制作與性能檢測107-110
• 5.5 結論110-111
• 附件 支撐材料111-122
• 攻讀博士學位期間發(fā)表論文情況122-123
• 致謝123

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