含饶丹宁和噻吩异靛的D-A共轭聚合物的合成与光伏性能研究

摘要

相对于无机太阳能电池来说，有机聚合物太阳能电池具有一系列优点，像是制备成本低、功能和结构易于调节、能制成大面积的超薄柔性器件等等，成为新世纪以来研究的热点。对于聚合物太阳能电池（PSCs）研究领域，不断开发出新型的，高效的聚合物活性层材料是十分重要并且需要的。而聚合物给体材料的设计和合成，及其器件表征又是其中很重要的一个研究部分，因此本文围绕给体材料做工作，合成了一系列含饶丹宁的主-侧链型D-A共聚物和基于噻吩异靛的主链型D-A共聚物给体材料，并对其光学性能，电化学性能，热稳定性能及其器件光伏性能做了比较全面的研究。工作分为2个部分：
　　1．设计并合成了四种以苯并二噻吩-噻吩为骨架，不同侧链的主-侧链型D-A共聚物 PHDBDT-T-R、PEHBDT-T-R、PHDBDT-T-TR和 PEHBDT-T-TR。重点研究了BDT上的不同烷基和噻吩上的噻吩乙烯基侧链对共聚物紫外吸收、热稳定性、HOMO、LUMO能级以及器件光电性能的影响。研究结果表明苯并二噻吩上取代基为体积比较大的烷基对聚合物的溶解性是有利的，但会引起较大的空间位阻，对分子的平面堆积不利，这有可能会导致聚合物与PC70BM共混时相容性不好。而在侧链引入噻吩乙烯基增加了分子的共轭，使聚合物的紫外吸收边带拓宽，减小其带隙。基于上述四个共聚物的光电转换效率分别达到1.01％、4.04％、3.47％和4.25％。
　　2．合成了一系列基于噻吩异靛的共聚物材料PBDT-T-S-ThID、PC-ThID和PF-ThID。重点研究了三个不同给电子单元苯并二噻吩（BDT）、咔唑（C）和芴（F）与噻吩异靛共聚后的聚合物的光学性能、热稳定性、HOMO和LUMO能级以及其器件光电性能。研究结果发现：噻吩异靛是一个吸电子能力很强的受体单元，与不同给电子单元聚合得到的聚合物分子都具有很宽的吸收，但能级与PC70BM能级匹配不理想，不利于电荷的转移，所以基于这系列共聚物的光电转换效率最高仅达到1.16％。

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第1章 绪论

1. 1 引言

1. 2 聚合物太阳能电池简介

1 .2 .1 聚合物太阳能电池的基本电池结构与工作原理

1 .2 .2 聚合物太阳能电池的几个重要参数

1.2.3 聚合物太阳能电池器件的制备和效率测试

1. 3 聚合物太阳能电池给体材料简介

1 .3 .1 主-侧链型D-A共聚物材料

1 .3 .2 常见的基于D-A共聚物中的拉电子单元的材料

1. 4 论文的研究主题及主要研究内容

第2章 含饶丹宁的主-侧链型D-A共聚物的设计、合成及其光电性能研究

2. 1 前言

2. 2 实验部分

2 .2 .1 试剂、仪器及分析手段和方法

2 .2 .2 单体、聚合物的合成

2. 3 结果与讨论

2 .3 .1 聚合物的合成与结构表征

2 .3 .2 热稳定性能

2 .3 .3 光学性能

2.3.4 电化学性能

2.3.5 光伏性能

2.3.6 空穴迁移率

2.3.7 形貌研究

2.3.8 荧光分析

2. 4 本章小结

第3章 基于噻吩异靛的D-A型共聚物的合成及其光电性能研究

3. 1 前言

3. 3 结果与讨论

3 .3 .1 聚合物的合成和结构表征

3 .3 .2 热稳定性能

3 .3 .3 光学性能

3 .3 .4 电化学性能

3 .3 .5 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、药品及纯化方法

附录B 仪器及分析手段和方法

附录C 部分单体和聚合物的核磁氢谱图

硕士学位期间发表论文情况