N，N-二苯腙類染料和二茚并吡嗪類共軛聚合物的合成及其光伏性質(zhì)的研究

【摘要】：本論文對染料敏化太陽能電池(DSSCs)和聚合物太陽能電池(PSCs)的光敏材料及器件的新近研究進展進行了簡要的綜述。為了更好的研究染料分子中的π-共軛橋?qū)θ玖瞎怆娦阅艿挠绊懸?guī)律和調(diào)控聚合物的吸收光譜、前線分子軌道分子能級、帶隙及電荷傳輸性能，我們設計并合成了一類以N,N-二苯基腙為電子給體的D-π-A型純有機染料和基于二茚并吡嗪的共軛聚合物。通過核磁共振、紅外光譜、元素分析等分析測試手段對合成的染料分子和聚合物的結(jié)構(gòu)進行了表征和確證。利用紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜、循環(huán)伏安法等研究了染料分子和聚合物的光物理和電化學性質(zhì)，同時制備了基于所合成的染料和聚合物的染料敏化和聚合物光伏器件，研究了DSSCs和PSCs的光伏性能。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1.設計并合成了四個以N, N-二苯腙為電子給體(D)、不同芳香環(huán)為π共軛橋、氰基乙酸為電子受體(A)的D-π-A型純有機染料分子HB、HP、HF和HT。重點研究了不同芳香性共軛橋(苯、吡咯、呋喃和噻吩)對染料的光物理性質(zhì)、電化學性質(zhì)以及光伏性質(zhì)的影響規(guī)律。基于四種染料的DSSCs光伏性能測試結(jié)果表明N，N-二苯腙是一類良好的電子給體材料，同時不同的芳香共軛橋?qū)θ玖系墓怆娦再|(zhì)具有明顯的影響。以吡咯環(huán)為共軛橋的染料HP表現(xiàn)出最優(yōu)的光伏性能，其光電轉(zhuǎn)換效率高達到7.18%(Jsc=14.76mA/cm~2, Voc=0.69V, FF=0.705)。 2.設計并合成了三個以N, N-二苯腙為電子給體，噻吩衍生物為π-共軛橋、氰基乙酸為電子受體的D-π-A型純有機染料分子HM、HE和HO。系統(tǒng)地研究了噻吩衍生共軛橋?qū)θ玖戏肿拥墓馕锢硇再|(zhì)、電化學性質(zhì)以及光伏性質(zhì)的影響規(guī)律?；谌N染料的DSSCs光伏性能測試結(jié)果表明不同的噻吩衍生共軛橋?qū)θ玖系墓怆娦再|(zhì)具有明顯的影響。以3,4-二辛氧基噻吩為共軛橋的染料HO表現(xiàn)出最優(yōu)的光伏性能，其光電轉(zhuǎn)換效率達到5.83%(Jsc=12.96mA/cm~2，Voc=0.65V，F(xiàn)F=0.707)。 3.設計并合成了六個基于二茚并吡嗪(IPY)單元的新型共軛聚合物PIPY-DTBT、PIPY-DTBTA、PIPY-DTTT、PIPY-BT、PIPY-BDT和PIPY-TT。系統(tǒng)地研究了與IPY共聚的單元的給/吸電子能力對聚合物的熱穩(wěn)定性、光物理、電化學性質(zhì)以及其光伏性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：IPY是一個具有良好共平面性的弱給體單元，與吸電子單元(苯并噻二唑、苯并三氮唑、噻唑并噻唑)共聚能夠獲得高的開路電壓(~0.7V)；另外，通過與不同給/吸電子屬性的結(jié)構(gòu)單元共聚，可實現(xiàn)對聚合物的吸收光譜、能隙和分子能級得到有效調(diào)控?；谶@類新型共聚物的本體異質(zhì)結(jié)型PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率為0.05~0.77%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 聚合物太陽能電池 N N-二苯腙 二茚并吡嗪 光伏性能
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TQ613;O633.5
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目錄7-9
• 第1章 文獻綜述9-26
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 染料敏化太陽能電池 (DSSCs)10-11
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池工作原理10
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池效率的影響因素10-11
• 1.3 聚合物太陽能電池 (PSCs)11-14
• 1.3.1 聚合物太陽能電池的工作原理11-12
• 1.3.2 聚合物太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)12-13
• 1.3.3 影響聚合物太陽能電池效率的主要因素13-14
• 1.4 有機太陽能電池的性能參數(shù)14-15
• 1.4.1 短路電流 (J_(sc)) 和開路電壓 (V_(oc))14
• 1.4.2 最大輸出功率 (Pmax)14-15
• 1.4.3 填充因子 (FF)15
• 1.4.4 能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE)15
• 1.4.5 電流密度-電壓特性曲線 (J-V 曲線)15
• 1.5 有機太陽能電池光活性材料15-25
• 1.5.1 DSSCs 染料敏化劑15-20
• 1.5.2 PSCs 給體材料20-23
• 1.5.3 PSCs 受體材料23-25
• 1.6 本論文的設計思想與研究內(nèi)容25-26
• 第2章 含不同芳香共軛橋的腙類 D- -A 染料的合成及光伏性能研究26-39
• 2.1 引言26-27
• 2.2 實驗部分27-30
• 2.2.1 試劑和儀器27
• 2.2.2 中間體及目標染料的合成27-30
• 2.3 結(jié)果與討論30-38
• 2.3.1 合成路線的選擇及和目標染料的合成與表征30-31
• 2.3.2 染料的光物理性質(zhì)31-32
• 2.3.3 染料的電化學性質(zhì)32-35
• 2.3.4 染料分子的結(jié)構(gòu)計算分析35-36
• 2.3.5 染料的光伏性質(zhì)36-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第3章 以噻吩衍生物為π共軛橋的腙類 D- -A 型染料的合成及光伏性能研究39-52
• 3.1 前言39
• 3.2 實驗部分39-43
• 3.2.1 試劑和儀器39-40
• 3.2.2 中間體及目標染料的合成40-43
• 3.3 結(jié)果與討論43-51
• 3.3.1 合成路線的選擇及和目標染料的合成與表征43-44
• 3.3.2 染料的光物理性質(zhì)44-46
• 3.3.3 染料的電化學性質(zhì)46-48
• 3.3.4 染料分子的結(jié)構(gòu)計算分析48-50
• 3.3.5 染料的光伏性質(zhì)50-51
• 3.4 本章小結(jié)51-52
• 第4章 含二茚并吡嗪類新型共軛聚合物的合成及光電性質(zhì)的研究52-67
• 4.1 引言52-53
• 4.2 實驗部分53-59
• 4.2.1 試劑和儀器53
• 4.2.2 中間體及目標聚合物的合成53-59
• 4.3 結(jié)果與討論59-65
• 4.3.1 中間體及聚合物的合成及表征59
• 4.3.2 聚合物的熱性能59-60
• 4.3.3 聚合物的光物理性質(zhì)60-63
• 4.3.4 聚合物的電化學性能63-64
• 4.3.5 聚合物的光伏性能64-65
• 4.4 本章小結(jié)65-67
• 總結(jié)與展望67-68
• 參考文獻68-74
• 附錄A 一些重要的化合物的核磁圖74-86
• 附錄B 試劑、藥品及其純化方法86-88
• 附錄C 儀器及測試條件和方法88-90
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表論文情況90

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