苯并二环戊二烯并二硒吩类光电材料的合成与性质研究

摘要

为了满足当今世界对绿色、可再生能源的急切需求，有机光伏太阳能电池(OPV)已发展成为一个热门的研究领域。在过去的十年里，电池器件的效率以及对其基础物理过程的理解都有持续性的进步。和传统的无机太阳能电池相比，有机太阳能电池的效率虽然较低，但具有柔性、低成本和可溶液加工的优点。为提高对太阳光谱的吸收和光电转换效率，越来越多的新型共轭聚合物被用于电池的活性材料中。由于大多数给体材料的带隙较宽，导致与受体材料的能级不匹配和短路电流的值很低，使得太阳能电池的效率很低。所以，在有机光伏领域，窄带隙聚合物引起研究者们越来越多的兴趣。近年来，基于窄帯隙聚合物与[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)的太阳能电池效率已经接近10％。大部分具有高效率的窄带隙聚合物中都含有噻吩结构单元，由于硒原子与硫原子处于同一主族，硒吩与噻吩具有相似的化学性质，硒原子的孤对电子具有更强的可极化性，分子间Se-Se间相互作用更强，基于硒吩的窄带隙聚合物也开始被大量研究。本研究基于硒吩的窄带隙聚合物P1、P2和P3的合成、表征以及性能如下：
　　1.以苯并二环戊二烯并二硒吩(IDSe)为电子给体、苯并噻二唑以及其衍生物为电子受体，通过Stille偶合反应，分别成功的得到了3个窄带隙聚合物P1、P2和P3。其中，聚合物P1、P2和P3的受体单元中分别具有0，2，4个噻吩环。中间体、目标单体和聚合物的化学结构由核磁共振氢谱、核磁共振碳谱以及质谱或者凝胶渗透色谱得以确认。
　　2.聚合物P1、P2和P3在甲苯、氯苯、氯仿等普通溶剂中具有良好的溶解性，5％的失重温度达到300oC左右，具有良好的热稳定性。用紫外-可见光谱测得聚合物P1、P2和P3的光学帯隙分别为1.66eV，1.77eV和1.80eV。其中，P1在600~800 nm处有强吸收峰，随着受体单元中噻吩数目的增加，P2和P3的最强吸收峰位在500 nm左右。P1和P3在可见光区表现出互补吸收的特点。受体单元中噻吩环越多，受体的缺电子能力越弱，对应聚合物的LUMO能级升高，P1的LUMO能级为-3.51eV，P2的要比P1的高0.06 eV，P3的要比P2的高0.02eV。
　　3.将3种聚合物分别和电子受体PC71BM一起构建了体异质结太阳能电池器件，研究了给-受体比例、添加剂以及电极修饰材料对电池器件性能的影响。其中P1具有较高的短路电流密度值，超过了12mA/cm-2，电池效率也达到了4.3％。P3具有较高的开路电压值，在0.85V左右，电池效率也可以达到3.3％。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2各类有机太阳能电池的研究现状

1.3有机太阳能电池的工作机理

1.4有机太阳能电池的性能表征

1.5有机太阳能电池的发展

1.6 有机太阳能电池的制备技术

1.7本论文的研究目的意义和思路

第2章 苯并二环戊二烯并二噻吩类聚合物光电材料的合成

2.1引言

2.2合成路线

2.3实验部分

2.4本章小结

第3章 苯并二环戊二烯并二噻吩类聚合物光电材料的性质表征

3.1热性能表征

3.2紫外-可见吸收光谱

3.3电化学能级

3.3光电转换性能

3.5本章小结

第4章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间科研成果

攻读学位期间参与项目