噻吩-苯并噻二唑-芴类小分子及聚合物太阳能电池给体材料的合成及其光伏性能研究

摘要

本论文系统地介绍了有机聚合物及小分子太阳能电池材料及器件的研究进展。以提高材料的载流子迁移率为出发点,设计并合成了一系类含咔唑侧基的二噻吩苯并噻二唑-芴-二咔唑基芴共轭聚合物光伏材料和以芳基吡咯并吡咯二酮(DPP)和苯并噻二唑(BT)为受体单元的3D-2A和2D-3A结构的线型有机小分子光伏材料。对所合成的目标分子都通过核磁、元素分析等测试手段来表征其结构,并利用紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、差示扫描量热仪(DSC)、热失重分析(TGA)和循环伏安(CV)等方法研究了所合成材料的光物理、热稳定及电化学性能。同时,制作了基于所合成的聚合物和有机小分子光伏材料所组装的本体异质结太阳能电池的光伏性能,研究了材料结构对光伏性能的影响。本论文获得的主要结论如下:
　　1.设计并合成了三种咔唑基团修饰的二噻吩苯并噻二唑-芴-二咔唑基芴共聚物PFO-FCz-DBT5、PFO-FCz-DBT15和PFO-FCz-DBT30,并系统地研究了引入的咔唑侧基对共聚物的热稳定性、光物理、电化学和光伏性能的影响。通过与相对应的未经咔唑修饰的聚合物相比,结果显示:经过咔唑修饰的聚合物,其本体异质结太阳能电池的载流子迁移率和光电转换效率都有了显著的提高。测试结果表明:在模拟太阳光AM1.5,100 mW/cm2光照射下,基于聚合物PFO-FCz-DBT5、PFO-FCz-DBT15和PFO-FCz-DBT30/PC60BM(1:3 w/w)制作的本体异质结太阳能电池,它们的光电转换效率分别为0.52％、1.11%和2.41%。
　　2.设计并通过Stille偶联、Suzuki偶联和 Knoevenagel缩合等一系列经典的有机反应,合成了以芳基吡咯并吡咯二酮(DPP)和苯并噻二唑(BT)为受体单元的3D-2A和2D-3A结构的线型有机小分子光伏材料D1、D2和D3。研究了引入咔唑取代基对小分子光伏材料的光物理、电化学、热稳定和光伏性能的影响。在模拟太阳光AM1.5,100mW/cm2照射下,小分子光伏材料D1的太阳能电池表现出最好的光伏性能,其光电转换效率达到了0.39%(Jsc=2.56mA/cm2,Voc=0.54V,and FF=0.28)。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 有机太阳能电池简介

1.2.1 有机太阳能电池工作原理-光生伏特效应

1.2.2 有机太阳能电池器件结构

1.3 有机太阳能电池的性能表征

1.3.1 有机太阳能电池中几个常见的性能表征参数

1.3.2 有机太阳能电池的输出特性--电流电压 (J-V) 特性曲线

1.4 影响有机太阳能电池光电转换效率的因素

1.4.1 有机光伏活性材料的光吸收

1.4.2 有机光伏材料载流子的传输

1.4.3 界面和电极材料的影响

1.5 有机本体异质结太阳能电池材料

1.5.1 富勒烯及其衍生物

1.5.2 噻吩类材料

1.5.3 对苯撑乙烯撑及其衍生物 (PVs)

1.5.4 芳香胺类材料

1.5.5 稠环芳香化合物

1.5.6 酞菁类染料

1.6 论文的设计思想与研究内容

第2章 二噻吩-苯并噻二唑-二咔唑基芴共聚物的合成及其光伏性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 原料与试剂石油醚

2.2.2 实验仪器及测试条件

2.2.3 实验合成路线

2.2.4 单体和聚合物的合成2,7-二溴芴(1)的合成

2.3 结果与讨论

2.3.1 单体和聚合物的合成及结构表征

2.3.2 聚合物的表面形貌特征

2.3.3 聚合物的热性能

2.3.4 聚合物的紫外-可见吸收光谱

2.3.5 聚合物的电化学性能

2.3.6 聚合物的光伏性能

2.4 本章小结

第3章 基于芳基吡咯并吡咯二酮和苯并噻二唑的线性2D-3A与3D-2A型有机小分子光伏材料的合成及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 原料与试剂

3.2.2 实验仪器及测试条件

3.2.3 实验合成路线

3.2.4 中间体和目标分子的合成2-溴-5-吡啶甲醇(1)的合成

3.3 结果与讨论

3.3.1 中间体和目标分子的合成与表征

3.3.2 小分子光伏材料的光物理性质

3.3.3 小分子光伏材料的热稳定性能

3.3.4 小分子光伏材料的电化学性能

3.3.5 小分子材料的光伏性能

3.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况