基于苯并二噻吩和三苯胺单元的D-A型有机给体材料的合成及光伏性能研究

摘要

有机太阳能电池具有制作成本低、质量轻等优势，已成为发展新能源的重要方向。本论文综述了有机太阳能电池及其给体材料的发展现状，并针对有机太阳能电池能量转换效率不高等关键问题，展开了聚合物和有机小分子光伏材料的分子设计、合成与性能研究。本论文构建了一系列供体-受体（D-A）型聚合物和小分子光伏材料，并系统研究了这些D-A型材料的热稳定性、光物理、电化学和光伏性能，取得了如下研究结果：
　　1)设计合成了一类以烷氧基取代的苯并二噻吩（BDT-O）或者噻吩基取代的二维结构（2D）的苯并二噻吩（BDT-T）为给体、以2,3-二(4-甲氧基苯基)-6,7-二辛氧基喹喔啉(Qx-2）为受体的D-A型聚合物PBDTDT(Qx-2)-O和PBDTDT(Qx-2)-T。系统研究了BDT上取代基以及喹喔啉上6,7－二辛氧基对聚合物光伏性能的影响。相比于文献报道的类似物，在喹喔啉上引入6,7－二辛氧基侧链，其聚合物 PBDTDT(Qx-2)-O和 PBDTDT(Qx-2)-T的本体异质结聚合物太阳能电池（BHJ-PSCs）显示出了明显提高的开路电压（Voc）值（0.91～0.95 V）。在BDT-T上引入噻吩基二维结构，其聚合物PBDTDT(Qx-2)-T的BHJ-PSCs显示出了更好的光伏性能，其能量转换效率（PCE）、短路电流（Jsc）、Voc和填充因子（FF）分别为6.31％、10.82mA/cm2、0.95V和61.4％。该二维聚合物器件的PCE值是一维聚合物PBDTD(Qx-2)-O器件的PCE值的1.42倍。
　　2)设计合成了一种以N,N-二苯基噻吩-2-胺（DPTA）和BDT为双给体主链，以链接在DPTA上的苯并噻二唑（BT）为受体侧链的侧链D-A型聚合物PDPAT-BDT-BT。相比于类似物PTPAT-BDT-BT，PDPAT-BDT-BT虽只减少了一个侧链苯基π桥，但呈现出了变窄的光学带隙、拓宽的吸收光谱和降低的HOMO能级（-5.43 eV）。以PDPAT-BDT-BT/PC71BM为光活性层的BHJ-PSCs显示出了提高的光伏性能，其PCE=3.27％、Voc=0.87 V、Jsc=7.61mA/cm2、FF=49.8％。研究表明，缩短D和A单元间的共轭单元，可以改善其侧链D-A型聚合物的光伏性能。
　　3)设计合成了一类以1,3,5-三取代苯为给体中心核、9,10-二(噻吩-2-基)蒽（TAT）为稠环芳烃π桥、吡咯并吡咯二酮（DPP）为受体支链臂、三苯胺（TPA）或噻吩为给体终端的“C3”结构的星形小分子P(TAT-DPP-T)3和P(TAT-DPP-TPA)3。相比于其他含DPP单元的星型小分子，这类“C3”结构的星形小分子引入了稠环π桥TAT，以及TPA或者噻吩给体终端。研究表明，TAT稠环π桥的引入破坏了分子的平面结构，对分子的光伏性能没有起到促进作用；TPA或者噻吩终端的引入拓宽了分子的吸收光谱。与P(TAT-DPP-T)3相比，P(TAT-DPP-TPA)3表现出了明显红移的吸收和更好的光伏性能。其器件的PCE=1.26％、Voc=0.76V、Jsc=5.21mA/cm2、FF=32.0％。

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第1章绪论

1.1引言

1.2有机太阳能电池的简介

1.3聚合物太阳能电池给体材料

1.4有机小分子太阳能电池材料

1.5本文的设计思想和主要研究内容

1.6本文的创新点

第2章基于苯并二噻吩和喹喔啉的线形D-A型聚合物的合成及光伏性能研究

2.1前言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4 本章小结

第3章基于苯并二噻吩和苯并噻二唑的侧链D-A型聚合物的合成及其光伏性能的研究

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章基于吡咯并吡咯二酮和三苯胺的星形D-A型小分子材料的合成及其光伏性能的研究

4.1前言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 常用原料、试剂的来源及其处理方法

附录B 测试方法及仪器

附录C 部分产物核磁、碳谱、质谱谱图

硕士期间的发表的论文