5,10-二烷基噻吩基二噻并苯并二噻吩聚合物的合成及表征

摘要

自从共轭聚合物与富勒烯之间的超快光诱导电荷转移现象被发现以来,聚合物本体异质结光伏电池因其具有成本低、制备工艺简单、可大面积成膜等优点,受到了人们的广泛关注。为了改善聚合物太阳能电池的光电转换效率,研究人员在开发新型窄带隙共轭聚合物,优化器件制造工艺和界面修饰等方面做出了极大的努力。其中,开发高性能的给体-受体(D-A)型窄带隙共轭聚合物已被证明是最有效的方法之一。
　　本论文设计、合成并表征了具有较大共轭平面的基于二噻吩并[2,3-d:2′,3′-d′]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(DTBDT)衍生物基,分别与不同的窄带隙单元通过Stille偶联反应得到了几种共轭聚合物,并对其结构和光电性能进行了表征,主要内容如下:
　　在第二章中,通过在 DTBDT的苯环两侧分别引入烷氧基,4,5-二癸基噻吩-2-基,三烷基硅基乙炔基取代基团,实现了对DTBDT衍生物能级和带隙的调节。并且,DTBDT衍生物和二酮吡咯吡咯(DPP)衍生物交替共聚得到的共聚物的能级和带隙也得到有效地调节。研究发现,在 DTBDT苯环两侧分别引入烷氧基,4,5-二癸基噻吩-2-基,三烷基硅基乙炔基取代基团后,它们相应地 DTBDT衍生物的 HOMO能级逐渐地降低,分别为-5.13 eV,-5.25 eV和-5.42 eV。并且相应共聚物PBT-HD-DPP-C16,PBT-T-DPP-C12, PBT-TIPS-DPP-C16的HOMO能级也逐渐地降低,分别为-5.06 eV,-5.19 eV和-5.25 eV。同时还发现,以三异丙基硅基乙炔基为取代基团的 DTBDT衍生物的共聚物PBT-TIPS-DPP-C16表现出最窄的带隙和较高的迁移率。分别制备以PBT-TIPS-DPP-C16、PBT-T-DPP-C12、PBT-HD-DPP-C16为给体材料,PC71BM为受体材料的光伏器件。其中,基于PBT-TIPS-DPP-C16:PC71BM共混膜的光伏器件表现出最高的开路电压(VOC)为0.76 V,最高的短路电流密度(Jsc)为14.2mA/cm2和最高的能量转化效率(PCE)为6.39％。
　　在第三章中,将5,10-双(4,5-二癸基噻吩-2-基)二噻并[2,3-d:2′,3′-d′]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(DTBDT-T)和3,7-二(3-己基噻吩-5-基)-萘并[1,2-c:5,6-c′]双[1,2,5]噻二唑(DTNT),通过Stille偶联反应合成了基于萘并[1,2-c:5,6-c′]双[1,2,5]噻二唑(NT)的D-A型共轭聚合物PBT-T-DTNT。所得到的聚合物能溶解于邻二氯苯中,其热分解温度为420℃。聚合物PBT-T-DTNT的光学带隙为1.47 eV;起始氧化电位是0.51 V;EHOMO为-5.22 eV;ELUMO为-3.75 eV。并制备以PBT-T-DTNT为给体材料,PC71BM为受体材料的正置和倒置光伏器件,通过研究可知倒置器件的开路电压、短路电流和能量转换效率均优于正置器件。其中,性能最佳的倒置光伏器件的PCE达到7.52%,其效率已接近现有已报道的新开发材料的先进水平。
　　在第四章中,以 DTBDT-T为电子给体,以6,6'-二溴-N,N'-(2-丁基辛基)-异靛蓝(ID-C12)、4,6-二溴-2-(2-己基癸基磺酰基)-噻吩并[3,4-b]噻吩(TTS-C16)、4,6-二溴-2-(1-(2-乙基己酮))-噻吩并[3,4-b]噻吩(TTC-C8)为电子受体单元,通过 Stille偶联反应合成了具有不同能级结构和光谱响应特征的 D-A型窄带隙共聚合物 PBT-T-ID-C12、PBT-T-TTS-C16和PBT-T-TTC-C8。聚合物在太阳光谱的高密度能量光谱区400–900 nm范围内具有较好的吸收性能,并对该类聚合物的吸收光谱、电化学性能等进行了表征。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物太阳能电池的工作原理、结构和性能参数

1.3 聚合物太阳能电池材料以及研究历程

1.4 本论文的设计思想和内容

1.5 本论文的创新点

2 基于二噻吩并[2,3-d:2′,3′-d′]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩和二酮吡咯吡咯的共轭聚合物太阳能电池的合成及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 萘并[1,2-c:5,6-c′]双[1,2,5]噻二唑(NT)类共轭聚合物的合成及光伏性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 具有不同能级和光谱响应特征的共轭聚合物的合成与性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果