含3,4-乙烯二氧噻吩共轭聚合物与三苯胺基染料的合成及光伏性能研究

摘要

本论文对本体异质结电池(BHJ-PSCs)用聚合物给体材料和染料敏化太阳能电池(DSSCs)用有机染料敏化剂的研究进展作了简要的综述,并从拓宽和增强光敏材料的吸收光谱,提高材料载流子迁移率的角度出发,设计并合成了一系列三苯胺基光敏染料和基于噻吩衍生物为主体结构的共轭聚合物。利用核磁共振、紫外-可见吸收光谱及荧光发射光谱、循环伏安等常规检测方法对所合成的化合物的结构、光物理及电化学等性质进行了表征和研究;分别制备了DSSCs和BHJ-PSCs器件,研究了所得材料的结构与光伏性能之间的关系。其主要研究内容如下:
　　1.设计并合成了侧基含1,3,4-噁二唑的基于3,4-乙烯二氧噻吩的三噻吩结构单元(TTh-Oxa)并苯乙撑的两种共聚物P1和P2。作为对比,同时合成了一种聚苯撑乙烯(PPV)共轭聚合物P3。实验结果表明,TTh-Oxa的引入,可有效降低共轭聚合物的能隙,拓宽并增强P1和P2的光谱吸收。以P1、P2和P3共聚物作为电子给体,PCBM作为电子受体,制备了聚合物本体异质结器件(重量比1:4)。在AM1.5G太阳光条件下(100 mW/cm2),基于三种共聚物的太阳能电池器件的能量转换效率分别为0.64％、0.58%和0.07%。
　　2.以三苯胺或N,N-二对甲苯基苯胺作为电子给体结构单元,3-甲基噻吩或2-乙烯基-3-甲基噻吩作为π-共轭单元,氰基丙烯酸作为电子受体单元,计并合成了三种D-π-A结构的有机染料敏化剂TD1、TD2和TD3。主要研究了给体单元与π-共轭单元间的键接方式对染料的光物理、电化学和光伏性能的影响。相对于电子给体与π-共轭单元间以双键连接的TD2和TD3染料,以单键连接的TD1在DSSCs电池中显示出更低的聚集效应,其器件的暗电流更小,故电池具有更高的开路电压和填充因子,因此单键连接有利于提高此类染料的光伏性能。在AM1.5G太阳光条件下(100 mW/cm2),基于TD1的染料敏化太阳能电池的效率最高,其优化后的DSSCs的能量转化效率达到了8.27%(Jsc=15.76 mA/cm2,Voc=0.72 V,and FF=0.73),显示出潜在的应用价值。

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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 聚合物太阳能电池(PSCs)的器件结构及工作原理

1.2.2 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的器件结构和工作原理

1.3 有机太阳能电池的性能参数

1.3.1 J-V特性曲线及相关参数

1.3.2 太阳能电池的效率表达

1.4 太阳能电池光敏材料

1.4.1 共轭聚合物给体材料

1.4.2 染料光敏剂

1.5 论文的设计思想与研究内容

第2章 含3，4-乙烯二氧噻吩共轭聚合物的合成与光伏性质研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂、仪器及测量条件和方法

2.2.2 中间体和聚合物的合成

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 聚合物的热性能

2.3.3 聚合物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱

2.3.4 聚合物的电化学性能

2.3.5 聚合物的光伏性能

2.4 本章小结

第3章 含甲基噻吩桥链的三苯胺染料的合成与光伏性质研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂、仪器及测量条件和方法

3.2.2 染料的合成

3.3 结果与讨论

3.3.1 中间体和目标染料的合成与表征

3.3.2 染料的光物理性质

3.3.3 染料的电化学性能

3.3.4 染料的光伏性能研究

3.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 试剂、药品及其纯化方法

附录B 仪器及测试条件和方法

攻读硕士学位期间发表论文情况