含三苯胺、噻吩的有機(jī)光伏材料的設(shè)計(jì)合成及其性質(zhì)研究

【摘要】：本論文對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池材料和器件的研究進(jìn)展進(jìn)行了較系統(tǒng)的綜述。重點(diǎn)介紹了共軛聚合物太陽(yáng)能電池電子給體材料和染料光敏化劑在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的新研究進(jìn)展。太陽(yáng)能電池中電子給體材料的吸收光譜、空穴遷移率和溶解性是影響其能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素,因此本論文以拓寬和增強(qiáng)給體材料的吸收光譜、提高其空穴遷移率為出發(fā)點(diǎn),設(shè)計(jì)并合成系列新型側(cè)鏈型共軛聚合物光伏材料和系列給體-連接橋-受體(D-π-A)型有機(jī)小分子染料。利用紅外光譜、核磁共振和元素分析等手段對(duì)所合成的化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,并利用紫外光譜、熒光光譜、循環(huán)伏安法研究了所合成的聚合物和有機(jī)小分子染料的光物理性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì),同時(shí)測(cè)試了以合成的聚合物和有機(jī)小分子染料組裝成的太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。主要的研究?jī)?nèi)容如下: 1.設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)以聚對(duì)苯撐乙烯(PPV)為主鏈、三苯胺為側(cè)基的二元共軛聚合物P1和P2,考察了三苯胺側(cè)基對(duì)共聚物的熱穩(wěn)定性、光物理、電化學(xué)和光伏性質(zhì)的影響。結(jié)果表明具有3Dπ-π堆積結(jié)構(gòu)三苯胺側(cè)基的引入對(duì)拓寬聚合物的吸收光譜、改善空穴遷移率和提高共聚物光伏性能方面有重要的作用?；赑1和P2的聚合物/PCBM本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率分別為0.27%和0.45%,它們分別是不含三苯胺側(cè)基的共聚物P0(0.09%)的3倍和5倍。 2.設(shè)計(jì)并合成了三個(gè)以PPV為主鏈、單(雙)噻吩為側(cè)鏈的二元共軛聚合物P3、P4和P5,并研究了噻吩側(cè)鏈對(duì)共聚物的熱穩(wěn)定性、光物理、電化學(xué)和光伏性質(zhì)產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明噻吩側(cè)鏈的引入在提高共聚物的熱穩(wěn)定性、拓寬共聚物的吸收光譜、降低能隙、改善其溶解性和光伏性能方面有較明顯的作用。同時(shí)研究了共聚物/TiO_2構(gòu)成的染料敏化太陽(yáng)能電池的光伏性能,基于共聚物P3～P5光伏電池的能量轉(zhuǎn)化效率分別1.66%、1.05%和2.56%。 3.針對(duì)二元共聚物P4在溶解性、吸收光譜等方面的不足,通過引入含烷氧基的二醛單體Monomer 5,設(shè)計(jì)并合成了P4-BO系列三個(gè)新的三元共軛聚合物P4-BO20、P4-BO30和P4-BO40。研究結(jié)果表明,Monomer 5的引入可以提高三元共聚物的熱穩(wěn)定性、拓寬其吸收光譜、降低共聚物的能隙和增大短路電流。研究了基于三元共聚物/TiO_2染料敏化太陽(yáng)能電池的光伏性能,結(jié)果表明該系列三元共聚物中,當(dāng)Monomer 5的含量達(dá)到44%時(shí)得到的三元共聚物P4-BO20有最高的能量轉(zhuǎn)換效率為1.76%。 4.針對(duì)二元共聚物P5在吸收光譜和空穴遷移率等方面的不足,通過摻入含三苯胺的二醛單體Monomer 1,設(shè)計(jì)并合成了P5-TPA系列三個(gè)新的三元共軛聚合物P5-TPA20、P5-TPA25和P5-TPA30。研究結(jié)果表明,Monomer 1的摻入可以進(jìn)一步拓寬P5-TPA系列三元共聚物的吸收光譜、改善共聚物的空穴注入、電荷傳輸和光伏性能?；谌簿畚?TiO_2染料敏化太陽(yáng)能電池的光伏性能測(cè)試結(jié)果表明,在P5-TPA系列中,當(dāng)Monomer 1的含量達(dá)到52%時(shí)得到的三元共聚物P5-TPA25有最高的能量轉(zhuǎn)換效率為2.74%。 5.設(shè)計(jì)并合成了一系列以三苯胺為電子給體、不同長(zhǎng)度的低聚噻吩為π-共軛體系、氰基乙酸為電子受體和錨定基團(tuán)的D-π-A型有機(jī)小分子染料SD1～SD5,其中SD2、SD4和SD5三個(gè)以己基取代的低聚噻吩為π-共軛體系的染料是未見文獻(xiàn)報(bào)道的新染料。系統(tǒng)地研究了己基取代和不同的π-共軛鏈長(zhǎng)度對(duì)染料的光物理、電化學(xué)和光伏性質(zhì)的影響。結(jié)果表明,適當(dāng)長(zhǎng)度的π-共軛鏈和規(guī)整的烷基取代對(duì)提高材料的光伏性能至關(guān)重要。通過優(yōu)化太陽(yáng)能電池器件的制備條件,基于SD2的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)以無(wú)水乙醇為溶劑時(shí),獲得了6.22%的能量轉(zhuǎn)換效率,達(dá)到了同樣條件下釕染料N719能量轉(zhuǎn)換效率(7.07%)的88%,這表明SD2有望成為染料敏化太陽(yáng)能電池中一類新型高效廉價(jià)的有機(jī)染料敏化劑。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽(yáng)能電池 染料敏化太陽(yáng)能電池 噻吩 三苯胺 光伏性能
【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】：2008
【分類號(hào)】：O621.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 有機(jī)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展13-49
• 1.1 引言13-15
• 1.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理15-20
• 1.2.1 有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)15-17
• 1.2.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理和影響能量轉(zhuǎn)換效率的因素17-20
• 1.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)20-22
• 1.3.1 開路電壓(V_(oc))20
• 1.3.2 短路電流(I_(sc))20
• 1.3.3 最大輸出電流(I_(max))和最大輸出電壓(V_(max))20-21
• 1.3.4 最大輸出功率(P_(max))21
• 1.3.5 填充因子(FF)21
• 1.3.6 能量轉(zhuǎn)換效率(Power conversion efficiency,PCE,η)21
• 1.3.7 入射光子-電子轉(zhuǎn)化效率(IPCE)21
• 1.3.8 有機(jī)太陽(yáng)能電池的輸出特性21-22
• 1.4 共軛聚合物太陽(yáng)能電池(PSCs)22-34
• 1.4.1 共軛聚合物太陽(yáng)能電池給體材料22-32
• 1.4.2 共軛聚合物太陽(yáng)能電池受體材料32-34
• 1.5 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)34-47
• 1.5.1 DSSCs的染料光敏化劑34-44
• 1.5.2 DSSCs中TiO_2電極材料44-46
• 1.5.3 DSSCs中的電解質(zhì)46-47
• 1.5.4 DSSCs中的對(duì)電極47
• 1.6 論文的設(shè)計(jì)思想與主要研究?jī)?nèi)容47-49
• 1.6.1 論文的設(shè)計(jì)思想47-48
• 1.6.2 論文的主要研究?jī)?nèi)容48-49
• 第2章 含三苯胺側(cè)基的PPV類二元共聚物的合成與性質(zhì)研究49-67
• 2.1 引言49-50
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分50-55
• 2.2.1 試劑、藥品及測(cè)試條件和方法50
• 2.2.2 單體和共聚物的合成50-54
• 2.2.3 聚合物/PCBM本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的制備54-55
• 2.3 結(jié)果與討論55-66
• 2.3.1 單體和共聚物的合成及結(jié)構(gòu)表征55-58
• 2.3.2 共聚物的熱性能58-59
• 2.3.3 共聚物的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜59-62
• 2.3.4 共聚物的電化學(xué)性質(zhì)62-64
• 2.3.5 共聚物的光伏性質(zhì)64-66
• 2.4 本章小結(jié)66-67
• 第3章 側(cè)鏈含噻吩的PPV類二元共聚物的合成與性質(zhì)研究67-89
• 3.1 引言67-68
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分68-75
• 3.2.1 試劑、藥品及測(cè)試條件和方法68
• 3.2.2 單體和共聚物的合成68-74
• 3.2.3 聚合物/TiO_2染料敏化太陽(yáng)能電池的器件制備74-75
• 3.2.4 聚合物/TiO_2染料敏化太陽(yáng)能電池光伏性能的測(cè)試75
• 3.3 結(jié)果與討論75-87
• 3.3.1 單體和共聚物的合成及結(jié)構(gòu)表征75-80
• 3.3.2 共聚物的熱性能80-81
• 3.3.3 共聚物的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜81-84
• 3.3.4 共聚物的電化學(xué)性質(zhì)84-85
• 3.3.5 共聚物的光伏性質(zhì)85-87
• 3.4 本章小結(jié)87-89
• 第4章 側(cè)鏈含噻吩的PPV類三元共聚物的合成與性質(zhì)研究89-103
• 4.1 引言89
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分89-91
• 4.2.1 試劑、藥品及測(cè)試條件和方法89-90
• 4.2.2 單體和共聚物的合成90-91
• 4.2.3 共聚物染料敏化太陽(yáng)能電池的器件的制備91
• 4.2.4 共聚物染料敏化太陽(yáng)能電池光伏性能的測(cè)試91
• 4.3 結(jié)果與討論91-101
• 4.3.1 單體和共聚物的合成及結(jié)構(gòu)表征91-95
• 4.3.2 三元共聚物的熱性能95-96
• 4.3.3 三元共聚物的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜96-99
• 4.3.4 三元共聚物的電化學(xué)性質(zhì)99-100
• 4.3.5 三元共聚物的光伏性質(zhì)100-101
• 4.4 本章小結(jié)101-103
• 第5章 側(cè)鏈含三苯胺和噻吩的PPV類三元共聚物的合成與性質(zhì)研究103-115
• 5.1 引言103
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分103-105
• 5.2.1 試劑、藥品及測(cè)試條件和方法103-104
• 5.2.2 三元共聚物的合成104
• 5.2.3 共聚物染料敏化太陽(yáng)能電池的器件的制備104
• 5.2.4 共聚物染料敏化太陽(yáng)能電池光伏性能的測(cè)試104-105
• 5.3 結(jié)果與討論105-114
• 5.3.1 單體和共聚物的合成及結(jié)構(gòu)表征105-107
• 5.3.2 三元共聚物的熱性能107-108
• 5.3.3 三元共聚物的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜108-111
• 5.3.4 三元共聚物的電化學(xué)性質(zhì)111-112
• 5.3.5 三元共聚物的光伏性質(zhì)112-114
• 5.4 本章小結(jié)114-115
• 第6章 己基噻吩官能化的三苯胺染料的合成與性質(zhì)研究115-147
• 6.1 引言115-116
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分116-126
• 6.2.1 試劑、藥品及純化方法116
• 6.2.2 中間體和目標(biāo)染料的合成116-125
• 6.2.3 染料的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜測(cè)試125
• 6.2.4 染料的電化學(xué)性能測(cè)試125
• 6.2.5 染料敏化太陽(yáng)能電池器件的制備125-126
• 6.2.6 染料敏化太陽(yáng)能電池光伏性能的測(cè)試126
• 6.3 結(jié)果與討論126-146
• 6.3.1 合成路線的選擇126-127
• 6.3.2 中間體及目標(biāo)染料的合成和結(jié)構(gòu)表征127-135
• 6.3.3 染料的光物理性質(zhì)135-138
• 6.3.4 染料的電化學(xué)性質(zhì)138-141
• 6.3.5 染料的光伏性質(zhì)141-145
• 6.3.6 染料分子結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析145-146
• 6.4 本章小結(jié)146-147
• 總結(jié)與展望147-149
• 參考文獻(xiàn)149-161
• 致謝161-163
• 附錄A 試劑、藥品及其純化方法163-166
• 附錄B 儀器及測(cè)試條件和方法166-167
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文情況167

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