几种用于深红和近红外光发光二极管及聚合物太阳能电池的新型窄带隙共轭聚合物的合成与光电性能的研究

摘要

近年来，共轭聚合物由于在聚合物发光二极管和聚合物太阳能电池领域潜在的用途而受到广泛研究。现在虽然聚合物发光二极管的有些性能已经达到商业化指标，但是要真正大规模产业化，还有很多问题需要解决，诸如器件的效率、寿命、色纯度等方面。另一方面，经过近几年的努力，聚合物太阳能电池的效率已经达到了4—5％的水平，但要在市场上广泛应用，其能量转换效率还是偏低。而现今主要用于聚合物发光二极管和聚合物太阳能电池的聚合物材料的吸收和发射主要集中在可见光区，合成新的深红/近红外发射的共轭聚合物材料，不但对于提高聚合物太阳能电池对太阳光的匹配，从而提高聚合物太阳能电池的能量转换效率有重要意义，同时，对于提高聚合物发光二极管的色纯度(尤其是一些深红发光材料)也有一定的意义。另外，具有近红外发射和吸收性能的共轭聚合物材料，可以应用到诸如光检测器件、光衰减器件、伪装材料、热检测器件、通讯发射源等方面。 本论文的主要工作是合成了四个系列新的深红/近红外吸收和发射的共轭聚合物，并对其结构和光电性能进行了表征和研究。 在第三和四章中，我们通过Suzuki偶合反应成功合成出以两类取代芴为主体(Host)的新型窄带隙共轭共聚物：聚[2,7-(9,9-二辛基)芴-5’,5”-co-2,3-二甲基-5,7-二(2—噻吩基)噻[3,4-b]并[1,4]二嗪(PFO-DTTP)(E<,g>≈1.77-2.00eV)和聚[2,7-(9,9-二辛基)芴-5’,5”-co-5,7-二(2—噻吩基)噻[3,4,b]并[1,4]二嗪(PFO-DTP)(E<,g>≈1.58-2.85eV)。所得聚合物具有较高的分子量和良好的溶解性和成膜性。对他们的紫外．可见吸收光谱，电化学性质及PL和EL发光性能等进行了初步研究。共聚物PFO-DTTP的电致发光峰随聚合物中窄带隙单体含量的增加，从717nm红移到780nm。以PFO-DTTP共聚物和PCBM([6,6]phenyl-C<,61>-butyl acid methylester)按重量比1:1共混膜制备得到的太阳能电池：在模拟太阳光Aml.5(100mW/cm<'2>)下，Jsc=4.1 mA/cm<'2>，Voc=0.8V，FF=28.9％，ECE=0.83％，光谱响应达到了780nm。共聚物PFO-DTP的电致发光峰随着聚合物中窄带隙单体含量的增加，从734nm红移到788nm。以PFO-DTP共聚物和PCBM按重量比1:4共混膜制得的太阳能电池：在模拟太阳光AM1.5(100 mW/cm<'2>)下，Jsc=1.22 mA/cm<'2>，Voc=0.8V，FF=30.3％，ECE=0.3％，光谱响应达到了800nm。说明该类材料是一类很有前途的深红/近红外发光二极管和聚合物太阳能电池用共轭聚合物材料。 在第五章中通过Stille偶合反应，用4,7-二(3—癸基噻吩-2-)苯并噻二唑和5，7-二(3-癸基噻吩-2-基)-噻并[3,4-b]噻二唑分别与2,5-二(三丁基锡基)噻吩成功合成得到了两种新型芳杂环主链结构的共轭聚合物(PDDBT和PDDTT)，其中PDDBT的光学带宽为1.38eV，PDDTT的光学带宽为1.01eV。两类聚合物均具有良好的成膜性能，器件制作方便。所得聚合物PDDBT的电致发光器件的得到了近红外区的发光，该聚合物的EL发射峰在830nm左右。以PDDBT和PCBM共混得到了光谱响应达到880nm的光伏器件，以PDDDTT和PCBM共混得到了光谱响应达到1100nm的光伏器件。其中，PDDTT是现今报道的具有溶液加工性能的无金属离子存在下的带隙最窄的共轭聚合物，以该聚合物为电子给体材料、PCBM为电子受体材料的光伏器件所能达到的对光的响应波长，是迄今为止报道的聚合物光伏器件中所达到的光响应波长最长的。同时，该器件在330-1100nm之间均有响应，可以应用于响应很宽的光检测器件。第六章报道了用Pd催化的Suzuki偶合反应合成了分子量较高的9，9-二辛基芴和2，3-二甲基萘并[1，4]二嗪的共聚物，验证了由于激子在低带隙的NP位置的捕获而产生的有效的能量转移。随NP含量的增加电致发光和光致发光的发射波长都逐渐红移(520nm-540nm)，而EL光谱的红移程度更大一些(517-580nm)，共聚物的器件发从绿到橙红色光。同时用分子力学的方法对聚合物中引入NP单元对共聚物共轭程度的影响进行了初步研究。 第七章，根据文献，合成了PCBM，并对合成的PCBM和聚[3-己基噻吩]和购自ADS公司的PCBM和聚[3-己基噻吩]的聚合物太阳能电池的性能进行了比较，发现我们合成的PCBM和ADS的PCBM的性能相当，可以用于聚合物太阳能电池的电子受体材料．

目录

文摘

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第一章 绪论

第二章 聚合物发光二极管和聚合物太阳能电池的制备与性能测试

第三章 芴与2,3-二甲基-5,7-二(2-噻吩基)噻［3,4-b］并［1,4］二嗪共聚物的合成与性能的研究

第四章 芴与4,7-二(2-噻吩基)-2,1,3苯并噻二唑的同分异构体-5,7-二(2-噻吩基)噻［3,4-b］并［1,4］二嗪共聚物的合成与它们之间光电性能的差异的研究

第五章 用于聚合物太阳能电池和近红外发光二极管的两种新型芳杂环主链结构的窄带隙共轭聚合物的合成与性能的研究

第六章 芴和2,3-二甲基萘并［1,4］二嗪新型共轭聚合物的合成及光电性能研究

第七章 聚合物太阳能电池用电子受体材料—PCBM的合成和性能的测试

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢