基于苯并二噻吩和喹喔啉的新型共轭聚合物的合成及光伏性能研究

摘要

本论文系统介绍了二元和三元共轭聚合物太阳能电池的研究现状。针对目前共轭聚合物光伏给体材料合成难度大、稳定性差和效率偏低等关键科学问题，设计合成了三类新颖的基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT）和喹喔啉衍生物的共轭聚合物光伏给体材料。通过核磁共振氢谱、碳谱和飞行质谱等方法对聚合物单体和目标聚合物的化学结构进行了表征，系统研究了聚合物的热稳定性能、光物理性能和电化学性能等；以这些聚合物为给体材料，制做了本体异质结聚合物太阳能光伏器件，并对它们的光伏性能进行了系统研究。
　　本论文的主要研究内容为：
　　1)合成了一个基于二维结构的噻吩基取代的苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDTT）为给体单元、喹喔啉衍生物Qx-3为受体单元的共轭聚合物PBDTDT(Qx-3)-T。系统研究了喹喔啉上不同的取代侧链对以BDTT-alt-Qx为骨架聚合物的吸收光谱、电化学能级、SCLC空穴迁移率以及光伏性能的影响。研究结果表明：在以BDTT-alt-Qx为骨架的聚合物中，对喹喔啉单元进行侧链修饰能够很好的调控聚合物的相关性能。作为结果，PBDTDT(Qx-3)-T显示了较小的光学带隙（1.78 eV）、较低的HOMO能级（-5.51eV）和较高的空穴迁移率（2.19×10-4cm2 V-1 s-1）。基于聚合物PBDTDT(Qx-3)-T与 PC71BM的太阳能电池能量转换效率达到6.9％。
　　2)合成了以苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT）或 BDTT为给体单元、菲并[4,5-abc]吩嗪(PPz）为受体单元的两个新型共轭聚合物 PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT。系统研究了BDT上取代基的改变、以及刚性大π平面稠环PPz的引入对聚合物PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT的吸收光谱、电化学能级、SCLC空穴迁移率以及光伏性能的影响。研究结果表明：由于PPz的引入，PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT都表现出了较小的光学带隙（1.70eV和1.59eV）、较低的HOMO能级（-5.29eV和-5.34eV）和较高的SCLC空穴迁移率（1.88×10-4cm2 V-1 s-1和2.17×10-4cm2 V-1 s-1）。基于PTTPPz-BDT和PTTPPz-BDTT与PC71BM的太阳能电池能量转换效率分别达到4.25％和4.86％。
　　3)合成了以BDTT为给体单元、PPz为第一受体单元、苯并[c][1,2,5]噻二唑（BT-H）、5,6-二氟苯并[c][1,2,5]噻二唑（BT-F）和5,6-二辛氧基苯并[c][1,2,5]噻二唑（BT-O）为第二受体单元的三个无规三元共聚物PBDTT-PPzBT-H、PBDTT-PPzBT-F和PBDTT-PPzBT-O。系统研究了在第二受体BT的5,6号位置引入不同取代基团对三元共聚物的吸收光谱、电化学能级、SCLC空穴迁移率以及光伏性能的影响。研究结果表明：在BT的5,6号位置上引入不同的取代侧链对三元共聚物的相关性能影响很大，其中共聚物PBDTT-PPzBT-F表现出了最小的光学带隙（1.56eV）和最低的HOMO能级（-5.32eV）。基于PBDTT-PPzBT-H、PBDTT-PPzBT-F和PBDTT-PPzBT-O与PC71BM的太阳能电池能量转换效率分别达到4.5％、5.5％和6.3％。

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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

1.3 聚合物太阳能电池材料的研究进展

1.4 本论文的设计思路、研究内容和创新点

第2章 基于苯并二噻吩和6,7-二辛氧基取代喹喔啉的聚合物的合成及光伏性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.3 本章小结

第3章 基于苯并二噻吩和11,12-二辛氧基菲并[4,5-abc]吩嗪的聚合物的合成及光伏性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.3 本章小结

第4章 基于苯并二噻吩、菲并吩嗪和苯并噻二唑的三元共聚物的合成及光伏性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.3 本章小结

总结与展望

附录I 原料、试剂的来源及其处理方法

附录II 仪器及其测量方法

参考文献

致谢

附录 核磁共振和质谱表征图

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