基于噻吩衍生物和苯并噻二唑單元的有機(jī)光伏材料的合成及其性能研究

【摘要】：本論文介紹了有機(jī)太陽能電池的研究現(xiàn)狀及典型的有機(jī)太陽能電池給體材料的發(fā)展。有機(jī)太陽能電池給體材料的吸收光譜與太陽光譜的匹配程度,材料的電子能級、載流子遷移率和溶解性是影響有機(jī)光伏材料光伏性能的主要因素,為進(jìn)一步研究給體材料的分子結(jié)構(gòu)與光伏性能的關(guān)系,本文設(shè)計合成了兩類基于喹喔啉(Q)單元、苯并噻二唑(BT)單元和多噻吩單元的聚合物以及一類基于三苯胺(TPA)單元和BT單元的星型有機(jī)小分子光伏材料。通過1H NMR,13C NMR,TOF-MS等表征了這些供體材料的分子結(jié)構(gòu);通過紫外-可見吸收(UV-vis)、熱失重分析(TGA)、示差掃描量熱法(DSC)和循環(huán)伏安(CV)等方法研究了這些給體材料的光物理、熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性能及其體異質(zhì)結(jié)光伏器件性能。研究結(jié)果如下:1.設(shè)計合成了一類基于喹喔啉(Q)單元的新型聚合物光伏材料(PBT-TTQ-F與PBT-TTQ-H)。對比了兩類聚合物材料的性能差異發(fā)現(xiàn):在聚合物中引入氟原子以后,聚合物的紫外-可見吸收光譜發(fā)生明顯紅移,聚合物太陽能電池(PSCs)的光伏性能明顯改善。在相同器件結(jié)構(gòu)時,基于含氟聚合物PBT-TTQ-F的PSCs器件的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)為3.05%,該PCE值是無氟聚合物PBT-TTQ-H的PSCs器件的1.7倍。2.以苯并噻二唑(BT)為吸電子(A)單元,3,6-二(4,5-二辛基-2-噻吩基)-并二噻吩(TT-Th2)為供電子(D)單元,設(shè)計合成了主鏈含不同數(shù)量噻吩單元的二維D-A聚合物光伏材料(Th2TT-BT-Th2和Th2TT-BT-Th4),其中聚合物Th2TT-BT-Th2和Th2TT-BT-Th4在D和A兩單元間分別橋聯(lián)了1個和2個噻吩單元。研究發(fā)現(xiàn):在主鏈D和A兩單元間增加噻吩個數(shù),可以增加聚合物的共軛程度,拓寬材料的吸收光譜,提高PSCs器件的Jsc和PCE值。聚合物Th2TT-BT-Th4在PSCs器件中PCE為3.34%,該PCE值為聚合物Th2TT-BT-Th2光伏器件PCE值的2.1倍。3.以三苯胺(TPA)為核,咔唑(Cz)為末端D單元、苯并噻二唑(BT)為手臂A單元,設(shè)計合成了系列星型小分子有機(jī)光伏材料。系統(tǒng)地研究了末端咔唑的連接方式以及噻吩橋的位置對小分子光伏材料性能的影響。研究結(jié)果表明:基于3-咔唑末端單元的小分子TPA(BT-3Cz)3器件的光伏性能明顯優(yōu)于基于2-咔唑末端單元的小分TPA(BT-2Cz)3。其中,TPA(BT-3Cz)3類有機(jī)太陽能電池(OSCs)器件的最高PCE達(dá)到3.94%。當(dāng)在TPA(BT-3Cz)3不同位置中引入噻吩橋時,發(fā)現(xiàn)噻吩橋靠近3-咔唑單元的分子TPA(BT-T-3Cz)3的光伏性能明顯優(yōu)于噻吩橋靠近三苯胺單元的小分子TPA(T-BT-3Cz)3的光伏性能?；赥PA(BT-T-3Cz)3器件的PCE值高達(dá)5.07%,為基于三苯胺星型小分子光伏器件的最高值之一。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)太陽能電池 窄帶隙聚合物 星型小分子 光伏性能 給體材料
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-29
• 1.1 引言10-12
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的工作原理及其性能參數(shù)12-13
• 1.3 有機(jī)太陽能電池器件結(jié)構(gòu)13-15
• 1.3.1 正式太陽能電池14-15
• 1.3.2 反式太陽能電池15
• 1.3.3 疊層太陽能電池15
• 1.4 有機(jī)聚合物太陽能電池給體材料15-21
• 1.4.1 基于噻吩衍生物的D-A型聚合物給體材料16-18
• 1.4.2 基于苯并噻二唑單元的D-A型聚合物給體材料18-19
• 1.4.3 基于喹喔啉單元的D-A型聚合物給體材料19-21
• 1.5 有機(jī)小分子太陽能電池給體材料21-28
• 1.5.1 線型小分子給體材料22-24
• 1.5.2 星型小分子給體材料24-28
• 1.6 論文的設(shè)計思想與主要研究內(nèi)容28-29
• 1.6.1 論文的設(shè)計思想28
• 1.6.2 論文的主要研究內(nèi)容28-29
• 第2章 基于喹喔啉和噻吩衍生物單元的有機(jī)聚合物光伏材料的設(shè)計合成及其性能研究29-40
• 2.1 引言29-30
• 2.2 實驗部分30-34
• 2.2.1 實驗所用原料與試劑30
• 2.2.2 實驗儀器與測試條件和方法30-31
• 2.2.3 實驗合成路線31-32
• 2.2.4 實驗步驟32-34
• 2.3 結(jié)果與討論34-39
• 2.3.1 中間體和目標(biāo)產(chǎn)物的合成及結(jié)構(gòu)表征34
• 2.3.2 聚合物PBT-TTQ-H與PBT-TTQ-F的熱穩(wěn)定性能34-35
• 2.3.3 聚合物PBT-TTQ-H與PBT-TTQ-F的紫外-可見吸收光譜35-36
• 2.3.4 聚合物PBT-TTQ-H與PBT-TTQ-F的電化學(xué)性能36-37
• 2.3.5 聚合物PBT-TTQ-H與PBT-TTQ-F的光伏性能37-39
• 2.4 本章小結(jié)39-40
• 第3章 基于苯并噻二唑與多噻吩單元的二維共軛聚合物光伏材料的設(shè)計合成及性能研究40-50
• 3.1 引言40
• 3.2 實驗部分40-44
• 3.2.1 實驗所用原料與試劑40
• 3.2.2 實驗儀器與測試條件和方法40-41
• 3.2.3 實驗合成路線41
• 3.2.4 實驗步驟41-44
• 3.3 結(jié)果與討論44-49
• 3.3.1 中間體和目標(biāo)產(chǎn)物的合成及結(jié)構(gòu)表征44-45
• 3.3.2 聚合物Th_2TT-BT-Th_2與Th_2TT-BT-Th_4的溶解性與熱穩(wěn)定性能45-46
• 3.3.3 聚合物Th_2TT-BT-Th_2與Th_2TT-BT-Th_4的紫外-可見吸收光譜46-47
• 3.3.4 聚合物Th_2TT-BT-Th_2與Th_2TT-BT-Th_4的電化學(xué)性能47
• 3.3.5 聚合物Th_2TT-BT-Th_2與Th_2TT-BT-Th_4的光伏性能47-49
• 3.4 本章小結(jié)49-50
• 第4章 基于三苯胺和苯并噻二唑單元的星型有機(jī)小分子光伏材料的設(shè)計合成及性能研究50-65
• 4.1 引言50
• 4.2 實驗部分50-57
• 4.2.1 實驗所用原料與試劑50-51
• 4.2.2 測試儀器與測試條件和方法51
• 4.2.3 實驗合成路線51-53
• 4.2.4 實驗步驟53-57
• 4.3 結(jié)果與討論57-64
• 4.3.1 中間體和目標(biāo)產(chǎn)物的合成及結(jié)構(gòu)表征57-58
• 4.3.2 D(A-Ar)_3 星型有機(jī)小分子的熱穩(wěn)定性能58
• 4.3.3 D(A-Ar)_3 星型有機(jī)小分子的密度泛函理論計算58-60
• 4.3.4 D(A-Ar)_3 星型有機(jī)小分子的紫外-可見吸收光譜60-61
• 4.3.5 D(A-Ar)_3 星型有機(jī)小分子的電化學(xué)性能61-62
• 4.3.6 D(A-Ar)_3 星型有機(jī)小分子的光伏性能62-64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 總結(jié)與展望65-66
• 參考文獻(xiàn)66-74
• 致謝74-75
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文75-76
• 附錄A目標(biāo)分子的核磁氫譜圖76-86
• 附錄B目標(biāo)分子的核磁碳譜圖86-89
• 附錄C目標(biāo)分子的飛行時間質(zhì)譜圖89-91

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