基于噻吩-苯-噻吩及吡咯并吡咯二酮聚合物的合成及光伏性能研究

摘要

聚合物太阳能电池因其清洁、溶液可加工和低成本等特点成为全世界科学界研究的热点。近年来，在多国科研工作者的共同努力下，聚合物本体异质结聚合物太阳能电池(BHJ PSCs)最高的能量转换效率已经超过12％。但是，离实现商业化应用还有一定的距离。在此背景下，我们分别设计合成了三个 A-D-A型，三个D-A-D型，以及一系列基于吡咯并吡咯二酮(DPP)的共轭聚合物给体材料，并对目标聚合物的光物理、电化学等性能进行了系统的研究。同时，我们分别制备了基于目标聚合物的BHJ PSCs，并对其光伏性能进行了测试。本论文主要研究内容如下:
　　1.以噻吩-苯-噻吩(TBT)，吡咯并吡咯二酮(DPP)和侧链苯并噻二唑（DTBT）共聚，合成了三个三元无规共轭聚合物GP1，GP2和GP3，不同烷氧基链对聚合物的光物理、电化学及光伏性能的影响进行了系统的研究。基于具有长烷基链的聚合物GP1的PSCs表现出较低的Jsc。具有短烷基链的聚合物GP3和PC61BM共混表现出较明显的微相分离和最大的表面粗糙度。GP2具有最合适的烷基链，所以它有着最有序的π?π堆积，最宽的吸收光谱和最合适的微相分离形态，因此，基于GP2的BHJ PSCs器件获得了3.31%的PCE。
　　2.以吡咯并吡咯二酮(DPP)衍生物与烷基取代的苯并二噻吩(BDTT)和噻吩-苯-噻吩（TBT）共聚合成了三个三元无规共轭聚合物 GP4，GP5和 GP6。通过调整BDTT和TBT的比例，聚合物的热稳定性、光物理性质、电化学性质、π?π堆积距离、层间距以及光伏性能都得到优化。经过研究发现，随着 TBT含量的增加，聚合物的π?π堆积距离变小，但是HOMO能级增加，这导致聚合物器件表现出高的Jsc和低的Voc。基于GP5的BHJ PSCs器件表现出了较高的Jsc和FF及PCE(4.18%)。
　　3．将苯并二噻吩(BDTT)分别和侧链型吡咯并吡咯二酮(TTDPP)及主链型吡咯并吡咯二酮(DPP)共聚合成了一系列新的聚合物，并测试了其光物理、电化学及光伏性能。随着TTDPP含量的增加，聚合物在短波区域的吸收增强，π?π堆积距离减小，HOMO能级降低，这使聚合物器件得到较高的 Voc。最后，基于GP10的器件表现出较高的PCE4.46%，这一研究结果表明设计合成具有两个不同电子受体单元的无规三元共聚物是一种平衡Jsc和Voc从而获得高PCE的有效方法。此外，通过溶剂退火对 GP8器件进行优化，由于溶剂退火使共混膜进行重组，得到更好的相分离形态，从而得到更高的Jsc和PCE(4.74%)。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 研究背景

1.2 聚合物太阳能电池的研究进展

1.3 聚合物太阳能电池材料

1.5 论文的设计思想和研究内容

第2章 基于噻吩-苯-噻吩的A-D-A型三元共聚物的合成及其光伏性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 基于己基噻吩吡咯并吡咯的D-A-D型三元共聚物的合成及其光伏性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 基于侧链型吡咯并吡咯二酮聚合物的合成及其光伏性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

附录A 所用化学试剂及处理方法

附录B 仪器及测试条件和方法

攻读硕士学位期间发表论文情况