含苯并二噻吩及噻吩衍生物的共轭聚合物的合成及光伏性能研究

摘要

聚合物太阳能电池(PSCs)具有造价低廉、质量轻便、可制备柔性大面积器件等优点而倍受关注。迄今为止,本体异质结(BHJ)是PSCs中最成功的器件结构。尽管大量新型光伏材料的开发使得PSCs的能量转换效率(PCE)逐步提高,但要实现PSCs的实际使用仍有大量工作要做。对聚合物给体材料来说,限制其光伏性能的因素包括吸收光谱窄、摩尔吸光系数低、分子能级不匹配及载荷子迁移率低等。本论文主要设计并合成了两个基于苯并二噻吩(BDT)的共轭聚合物系列,通过在聚合物的侧链引入吸电子结构单元,形成主链为给电子结构单元,侧链为吸电子结构单元的新型D-A共轭聚合物。采用了1H-NMR、13H-NMR、FT-IR、MALDI-TOF MS对其结构进行了表征,并采用Uv-Vis吸收光谱、循环伏安、电流-电压曲线测试了聚合物的光物理、电化学和光伏性能。具体如下:
　　1.设计并合成了六种基于苯并二噻吩(BDT)和分别带有吸电子基噁二唑(OXD)、酯基和烷基侧链的噻吩衍生物的交替共轭聚合物(PL1-PL6)。实验结果表明,与共聚合物主链具有共轭作用的吸电子OXD和甲酸酯基侧链可有效地拓宽聚合物的吸收光谱,并降低聚合物的能隙,从而提高聚合物的光伏性能。以六种共聚物作为给体,PC61BM作为受体,制备了聚合物本体异质结器件(重量比1:2)。在AM1.5G太阳光条件下(100mW/cm2),基于PL3和PL5的太阳能电池器件的能量转换效率分别为1.98％和2.06%。
　　2.设计并合成新型共轭聚合物P1-P4,偶联BDT的4-和8-位,使其嵌入到共轭聚合物的主链,并在BDT结构单元上引入不同吸电子结构单元:醛基、2-乙烯基丙二酸二乙酯,使其形成主链为给电子结构单元,侧链为吸电子结构单元的新型D-A共轭聚合物。研究结果表明,如果BDT上的醛基的功能化反应不完全时,会破坏聚合物的规整性,导致吸收光谱蓝移,聚合物的能隙增大,其光伏性能下降。在AM1.5G太阳光条件下(100mW/cm2),基于P1太阳能电池器件的能量转换效率为0.35%。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物太阳能电池 (PSCs)

1.3 聚合物太阳能电池的能量转换效率的影响因素

1.4 聚合物太阳能电池的重要参数

1.5 聚合物太阳能电池给体材料

1.6 本论文的设计思想和主要研究内容

第2章 基于苯并二噻吩和带有吸电子功能基侧链噻吩衍生物的共轭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 结果和讨论

2.4 本章小结

第3章 基于带不同吸电子基团的苯并二噻吩类共轭聚合物的合成及其光电性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 试剂、药品及其纯化方法

附录 B 仪器及测试条件和方法

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况