侧链结构可调的二维共轭聚合物的合成及光伏性能研究

摘要

近年来,聚合物太阳能电池的研究成为能源及材料领域的研究热点,得到了长足的发展,但是其实际应用还受到诸如材料性能、器件制作工艺等的制约。高效率给体材料的研发是聚合物太阳能电池走向实际应用中的重要一环,受到材料学家的特别重视,设计和合成具有低HOMO能级的共轭聚合物材料是得到高效率太阳能电池的一种行之有效的方法。
　　为此设计合成了一系列新的含有带共轭支链的噻吩单元和苯并二噻吩(BDT)单元的二维共聚物,并对噻吩单元的侧链结构进行调节,期望获得高性能的聚合物,并研究了聚合物分子结构与其光电性能的关系。本论文的主要内容如下:
　　1.采用酰基化、Suzuki偶联、溴化及缩合等单元反应,从多种原料出发合成了四个3位共轭支链取代的2,5-二溴噻吩化合物(M1,M2,M3,M4);以3-噻吩甲酸为原料,通过酰胺化、关环、烷基化及与三甲基氯化锡的反应合成了单体2,6-双(三甲基锡基)-4,8-异辛氧基苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(M5)。合成产物及其中间体的结构采用1H NMR进行了确证,并对合成过程进行了讨论。
　　2.通过2,5-二溴噻吩化合物(M1,M2,M3,M4)与苯并二噻吩有机锡化合物(M5)的Stille偶联反应,合成了含有带共轭支链的噻吩单元和苯并二噻吩(BDT)单元的二维共聚物(P1-P4),聚合物的结构得到1H NMR确认,并对聚合过程进行了讨论。
　　3.通过溶解性、分子量及分子量分布(GPC)、热稳定性(TGA)等测试,研究了四种聚合物的溶解性、聚合度及热稳定性。结果表明:四种聚合物均具有良好的溶解性、优异的热稳定性及合适的聚合度,有利于制备高稳定性的光伏器件。聚合物的吸收光谱(UV-vis)及循环伏安(CV)测试结果表明:四种聚合物均具有较宽的吸收光谱,从而它们可以吸收更多的太阳光子,有利于增大太阳能电池的短路电流(Jsc);四种聚合物均具有较低的HOMO能级(-5.32eV~-5.38eV),这有利于增大太阳能电池的开路电压(Voc)。测试结果表明,在聚合物侧链引入吸电子基团,可以使吸收边波长红移,同时降低聚合物的HOMO能级。由于聚合物 P2的分子结构共平面性最好,所以 P2显示出较好的光电性能。
　　4.制作了器件结构为ITO/PEDOT:PSS/Polymer:PC61BM/Ca/Al的聚合物光伏器件,采用校准太阳模拟器(Newport150W Solar Simulator)作为光源,在光强为86mW/cm2的条件下测试了四种聚合物太阳能电池的光伏性能。测试结果表明,四种聚合物光伏器件均具有较好的光伏性能,P1为0.90％,P2为1.89%,P3为0.95%,P4为1.45%。其中P2的光伏性能最好,器件的能量转换效率达到1.89%,开路电压Voc为0.93V,短路电流Jsc为3.51mA/cm2,填充因子FF为49%。

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第1章 文献综述

1.1 聚合物太阳能电池(PSCs)的研究背景

1.2 聚合物太阳能电池的工作原理

1.3 聚合物太阳能电池的器件结构

1.4 聚合物太阳能电池的性能参数

1.5 聚合物太阳能电池的影响因素

1.6 聚合物太阳能电池材料

1.7 本论文的选题思想及研究内容

第2章 含可调侧链结构二维共轭聚合物的合成

2.1 引言

2.2 实验部分

第3章 中间体和目标聚合物的合成结果与讨论

3.1 中间体的合成

3.2 聚合物的合成

第4章 含可调侧链结构二维共轭聚合物的性能测试结果与讨论

4.1 聚合物的溶解性

4.2 聚合物的分子量测定

4.3 聚合物的热性能

4.4 聚合物的光学性质

4.5 聚合物的电化学性能

4.6 聚合物的光伏性能

第5章 结论与展望

参考文献

致谢

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