基于噻吩衍生物和苯并噻二唑单元的有机光伏材料的合成及其性能研究

摘要

本论文介绍了有机太阳能电池的研究现状及典型的有机太阳能电池给体材料的发展。有机太阳能电池给体材料的吸收光谱与太阳光谱的匹配程度，材料的电子能级、载流子迁移率和溶解性是影响有机光伏材料光伏性能的主要因素，为进一步研究给体材料的分子结构与光伏性能的关系，本文设计合成了两类基于喹喔啉(Q)单元、苯并噻二唑(BT)单元和多噻吩单元的聚合物以及一类基于三苯胺(TPA)单元和BT单元的星型有机小分子光伏材料。通过1H NMR，13C NMR，TOF-MS等表征了这些供体材料的分子结构；通过紫外-可见吸收(UV-vis)、热失重分析(TGA)、示差扫描量热法(DSC)和循环伏安(CV)等方法研究了这些给体材料的光物理、热稳定性和电化学性能及其体异质结光伏器件性能。研究结果如下：
　　1.设计合成了一类基于喹喔啉(Q)单元的新型聚合物光伏材料(PBT-TTQ-F与PBT-TTQ-H)。对比了两类聚合物材料的性能差异发现：在聚合物中引入氟原子以后，聚合物的紫外-可见吸收光谱发生明显红移，聚合物太阳能电池(PSCs)的光伏性能明显改善。在相同器件结构时，基于含氟聚合物PBT-TTQ-F的PSCs器件的能量转换效率(PCE)为3.05％，该PCE值是无氟聚合物PBT-TTQ-H的PSCs器件的1.7倍。
　　2.以苯并噻二唑(BT)为吸电子(A)单元，3,6-二(4,5-二辛基-2-噻吩基)-并二噻吩(TT-Th2)为供电子(D)单元，设计合成了主链含不同数量噻吩单元的二维D-A聚合物光伏材料(Th2TT-BT-Th2和 Th2TT-BT-Th4)，其中聚合物Th2TT-BT-Th2和Th2TT-BT-Th4在D和A两单元间分别桥联了1个和2个噻吩单元。研究发现：在主链D和A两单元间增加噻吩个数，可以增加聚合物的共轭程度，拓宽材料的吸收光谱，提高PSCs器件的Jsc和PCE值。聚合物Th2TT-BT-Th4在PSCs器件中PCE为3.34％，该PCE值为聚合物Th2TT-BT-Th2光伏器件PCE值的2.1倍。
　　3.以三苯胺(TPA)为核，咔唑(Cz)为末端 D单元、苯并噻二唑(BT)为手臂A单元，设计合成了系列星型小分子有机光伏材料。系统地研究了末端咔唑的连接方式以及噻吩桥的位置对小分子光伏材料性能的影响。研究结果表明：基于3-咔唑末端单元的小分子TPA(BT-3Cz)3器件的光伏性能明显优于基于2-咔唑末端单元的小分TPA(BT-2Cz)3。其中，TPA(BT-3Cz)3类有机太阳能电池(OSCs)器件的最高PCE达到3.94％。当在TPA(BT-3Cz)3不同位置中引入噻吩桥时，发现噻吩桥靠近3-咔唑单元的分子TPA(BT-T-3Cz)3的光伏性能明显优于噻吩桥靠近三苯胺单元的小分子TPA(T-BT-3Cz)3的光伏性能。基于TPA(BT-T-3Cz)3器件的PCE值高达5.07％，为基于三苯胺星型小分子光伏器件的最高值之一。

目录

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 有机太阳能电池的工作原理及其性能参数

1.3 有机太阳能电池器件结构

1.4 有机聚合物太阳能电池给体材料

1.5 有机小分子太阳能电池给体材料

1.6 论文的设计思想与主要研究内容

第2章 基于喹喔啉和噻吩衍生物单元的有机聚合物光伏材料的设计合成及其性能研究

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 基于苯并噻二唑与多噻吩单元的二维共轭聚合物光伏材料的设计合成及性能研究

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 基于三苯胺和苯并噻二唑单元的星型有机小分子光伏材料的设计合成及性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文

附录A 目标分子的核磁氢谱图

附录B 目标分子的核磁碳谱图

附录C 目标分子的飞行时间质谱图