基于噻吩-苯-噻吩给体结构单元的共轭聚合物的合成及光伏性能

摘要

基于本体异质结(BHJ)结构的聚合物太阳能电池(PSCs)可进行溶液加工，具有易制备、低成本等潜在优势，因而吸引了科研工作者的广泛关注。短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)和开路电压(Voc)是决定太阳能电池能量转换效率(PCE)的关键参数。因此，提高以上三个参数对提高PSCs器件的PCE均有促进作用。一直以来，科研工作者们致力于研究影响 Voc的因素。对于聚合物：富勒烯衍生物共混层来说，可以通过使用适当的界面材料或使用叠层器件结构等优化手段来提高PSCs的Voc。当然，聚合物给体材料的合理分子设计也是有效地提高Voc，进而提高聚合物的光伏性能的有效手段。
　　1、苯并[1,2-b;4,5-b′]二噻吩(BDT)是常用的给体结构单元，但其聚合物的最高成键轨道能级(HOMO)往往较高，这导致其 PSCs的开路电压(Voc)一般较低。为了获得HOMO能级较低，光伏性能较好的聚合物光伏材料，我们以1,4?二(2?噻吩基)?2,5?双烷氧基苯(TBT)作为给体结构单元，异靛(ID)作为受体结构单元，设计并合成了三种D-A型聚合物PTBTEH?IDHD、PTBTHD?IDEH和PTBTEH?HTID。聚合物PTBTEH?IDHD和PTBTHD?IDEH的HOMO能级低至?5.47 eV，基于这两种聚合物/[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)的PSCs器件的Voc值分别为0.80 V、0.88 V，这明显高于文献报道的具有相似结构的BDT基聚合物PBDT?ID的Voc(0.71 V)。研究结果表明，长支链烷基在D单元上的PTBTHD?IDEH比长支链烷基在A单元上的PTBTHD?IDEH具有更好的光伏性能，基于PTBTHD?IDEH的PSC具有较高的短路电流密度(Jsc)6.21 mA cm–2和Voc(0.88 V)，而基于PTBTHD?IDEH的PSC却只表现出较低的Jsc(2.39 mAcm–2)和Voc(0.8 V)。为了进一步提高聚合物的溶解性，我们在ID单元的两边各增加一个己基噻吩从而获得二己基噻吩异靛(HTID)受体结构单元，相应聚合物PTBTEH?HTID的PSC的Jsc提高到8.87 mA cm–2，而Voc稍有降低。三种聚合物的光电转换效率(PCEmax)分别为：PTBTEH?IDHD:1.05％，PTBTHD?IDEH:3.02％，PTBTEH?HTID:3.71％。
　　2、为了拓宽聚合物吸光范围，增强聚合物的吸收能力，从而提高 PSCs的 Jsc，我们在聚合物中引入了另外一种强缺电子单元吡咯并吡咯二酮(DPP)，合成了HTID：DPP的比例分别为1:1、3:1和1:3的三元聚合物：PHTID1?DPP1、PHTID3?DPP1和PHTID1?DPP3，通过调节异靛和DPP比例，调控聚合物的光伏性能。研究结果表明，合成的三元聚合物比二元共轭聚合物PTBTEH-HTID表现出更小的层间距及π?π堆积距离。同时，PHTID1?DPP1：PC61BM的光敏层的空穴迁移率明显高于另外两种三元聚合物光敏层的空穴迁移率，其本体异质结太阳能电池表现出最高的 Jsc(11.13 mA cm–2)和 PCE(4.20％)。

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第1章 文献综述

1. 1 研究背景

1. 2 聚合物太阳能电池的常用结构与基本原理

1 .2 .1 聚合物太阳能电池的器件结构

1 .2 .2 本体异质结太阳能电池的工作原理

1 .2 .3 聚合物太阳能电池器件的主要参数及其影响因素

1. 3 聚合物太阳能电池材料的研究进展

1 .3 .1 聚合物太阳能电池的受体材料

1 .3 .2 聚合物太阳能电池的给体材料

1. 4 论文的设计思想和研究内容

第2章 基于噻吩?苯?噻吩和异靛的D-A共轭聚合物的合成及光伏性能研究

2. 1 引言

2. 2 实验部分

2 .2 .1 试剂和测试方法

2 .2 .2 单体和聚合物的合成和表征

2. 3 结果与讨论

2 .3 .1 单体和聚合物的合成分析及表征

2 .3 .2 聚合物的热性能

2 .3 .3 聚合物的光物理性能

2 .3 .4 聚合物的电化学性能

2 .3 .5 聚合物的聚集态结构和空穴迁移率

2 .3 .4 聚合物的光伏性能

2. 4 本章小结

第3章 基于噻吩-苯-噻吩、异靛、吡咯并吡咯二酮的三元聚合物的合成及光伏性能研究

3. 1 引言

3. 2 实验部分

3 .2 .1 实验试剂、药品和测试方法

3 .2 .2 共聚物的合成步骤

3. 3 结果与讨论

3 .3 .1 聚合物的热性能

3 .3 .2 聚合物的光物理性能

3 .3 .3 聚合物的电化学性能

3 .3 .5 聚合物的聚集态结构和空穴迁移率

3 .3 .6 聚合物的光伏性能

3. 4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 试剂、药品以及纯化方法

附录B 仪器及测试条件和方法

在校期间发表的论文情况