含噻吩或噻吩稠环单元的有机光伏材料的合成及其性能研究

摘要

21世纪以来，开发新型可持续发展的清洁能源已经成为解决全球能源危机的关键，而有机太阳能电池由于能够有效利用可再生的太阳能产生电能以及具有质量轻、可大面积制造等优点，越来越受到人们的重视。本论文系统阐述了有机太阳能电池的发展进程和工作原理，着重介绍了几种高效的有机太阳能电池给体材料。针对目前有机太阳能电池能量转换效率不高、高效给体材料种类较少等问题，设计合成了系列基于噻吩和噻吩稠环单元的有机太阳能电池给体材料，并表征了化合物的分子结构，研究了目标光伏材料的光物理性能及其在本体异质结太阳能电池器件中的光伏性能。阐述了材料分子结构对电池器件性能的影响，筛选获得了性能优良的有机太阳能电池给体材料。本论文的研究内容如下：
　　1)设计合成了基于苯并二噻吩与喹喔啉单元以及基于苯并二噻吩与异靛蓝单元的具有不同间隔基团的供体-受体(D-A)型窄带隙聚合物，阐明了间隔基团结构与个数对聚合物的光物理性能以及器件光伏性能的影响。研究发现，基于噻吩单元的聚合物 PBDTT-TQ和二噻吩单元的 PBDT-BTI呈现出了更好的光伏性能。其中，基于聚合物 PBDTT-TQ的光伏电池能量转换效率(PCE)、短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)分别为5.9％、13.77 mA/cm2、0.77 V和56.0％；基于聚合物PBDT-BTI光伏器件(PSCs)的PCE、Jsc、Voc和FF值分别为7.31％、0.72 V、14.96 mA/cm2和68.1％。
　　2)设计合成了基于二噻吩基噻吩并噻吩单元和吡咯并吡咯二酮单元以及基于引达省并二噻吩单元和喹喔啉单元的两个系列 D-A型二维共轭聚合物。研究发现：在第一系列的D-A型聚合物中，具有较好分子平面性的聚合物PBTST-DPP显示了更好的光伏性能，其PSCs器件的PCE为2.12％；在第二系列的D-A型聚合物中，含间位烷基的聚合物PIDTTQ-m光伏器件的PCE值达到了7.8％(Voc=0.88 V,Jsc=12.9 mA/cm2,FF=69.0％)。
　　3)以引达省并二噻吩和噻吩单元作为D单元、喹喔啉单元作为A单元，设计合成了D-A-A型和 D-A1-D-A2型窄带隙聚合物。研究结果显示，相对于常规的D-A型聚合物，D-A-A型聚合物的紫外吸收范围更为宽广，对太阳光的利用率更高。在聚合物太阳能电池器件中，D-A-A型聚合物PIDT-DTQ-TT具有较好的光伏性能，器件的能量转换效率达到了6.63％(Voc=0.83 V,Jsc=12.43 mA/cm2，FF=65.3％)；D-A1-D-A2型聚合物PTQTI-F光伏器件的PCE值达到了6.32％，Jsc、Voc和FF分别为12.58 mA/cm2、0.93 V和54.0％。
　　4)设计合成了含六噻吩并二苯稠环单元和联二噻吩单元的 D1-D2型聚合物 PBTFT。研究结果表明，聚合物PBTFT具有很好的分子平面性，并且其薄膜状态下具有良好的堆积性能。有机场效应晶体管器件结果显示，PBTFT具有较好的电荷传输性能，其空穴迁移率最高可达0.028 cm2v-1s-1；在结构为ITO/PEDOT:PSS/Active Layer/Ca/Al的太阳能电池器件中，当给受体材料比例为1:2、退火温度为150 ℃时，器件的光伏性能最好，其PCE值达到了3.0％。
　　5)设计合成了以五噻吩并二苯为D单元、苯并噻二唑为A单元的D-A型小分子光伏给体材料FT1，以及以六噻吩并二苯为D单元、苯并噻二唑为A单元的小分子光伏给体材料FT2和FT3。结果表明：化合物FT1、FT2和FT3均具有良好的热稳定性能和分子平面性；多噻吩稠环的大小及其单元中硫原子的位置变化对材料的结晶性能和光伏性能都有较大的影响。与化合物FT1和FT2相比，FT3具有较好的结晶性能和光伏性能，其光伏器件的PCE值为2.13％。

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第1章 绪论

1.1 有机太阳能电池的发展历程

1.2 有机太阳能电池的工作原理

1.3 有机太阳能电池的器件结构

1.4 有机太阳能电池的性能表征

1.5 有机光伏材料

1.6 论文的设计思想与主要研究内容

参考文献

第2章 基于苯并二噻吩和喹喔啉单元的D-A型窄带隙聚合物给体材料的合成及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第3章 基于苯并二噻吩和异靛蓝单元的D-A型聚合物给体材料的合成及其性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第4章 基于二噻吩基噻吩并噻吩和吡咯并吡咯二酮单元的D-A型二维共轭聚合物给体材料的合成及其性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第5章 基于引达省并二噻吩和喹喔啉单元的D-A型窄带隙聚合物给体材料的合成及其性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第6章 基于引达省并二噻吩和喹喔啉单元的D-A-A型窄带隙聚合物给体材料的合成及其性能研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

参考文献

第7章 基于噻吩单元、异靛蓝单元和喹喔啉单元的D-A1-D-A2型窄带隙聚合物给体材料的合成及其性能研究

7.1 引言

7.2 实验部分

7.3 结果与讨论

7.4 本章小结

参考文献

第8章 基于噻吩稠环单元和联噻吩单元的D1-D2型聚合物给体材料的合成及其性能研究

8.1 引言

8.2 实验部分

8.3 结果与讨论

8.4 本章小结

参考文献

第9章 基于噻吩稠环单元与苯并噻二唑单元的D-A型小分子给体材料的合成及其性能研究

9.1 引言

9.2 实验部分

9.3 结果与讨论

9.4 本章小结

参考文献

结论与展望

结论

展望

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表论文情况

附录B 有机中间体，聚合物单体及聚合物的谱图