含噻吩基元的共轭聚合物的合成、表征及其光电性能研究

摘要

本论文对共轭聚合物材料特别是含噻吩基元的共轭聚合物在有机太阳能电池、有机场效应晶体管和荧光传感器方面的进展和应用进行了综述。重点介绍了共轭聚合物太阳能电池电子给体材料的研究进展。太阳能电池中几个非常关键的因素如吸收光谱、空穴迁移率、开路电压对太阳能电池的效率有着重要的影响。本论文的主旨为合成具有宽的吸收光谱、高的迁移率的共轭聚合物材料。利用红外光谱、核磁共振谱、质谱、元素分析等方法对合成的中间体和聚合物进行结构表征,利用紫外可见吸收光谱、荧光光谱、循环伏安法对聚合物的光物理性质和电化学性质进行了考察,同时研究了聚合物在太阳能电池和有机场效应晶体管方面的应用。此外,本论文还合成了两种含噻吡嗪单元的D-π-A结构的聚合物,作为荧光传感器敏感材料应用于汞离子检测。主要的研究内容如下:
　　1.为提高聚噻吩衍生物的空穴迁移率,将空穴传输基元三苯胺引入到聚合物结构中,合成一种侧基为三苯胺乙烯基的聚噻吩衍生物DOTPAV-PT,并对其进行详细的表征和光物理性质及电性能研究。实验结果表明,这个聚合物具有较宽的吸收及相对较高的空穴迁移率(1.25×10-4 cm2V-1s-1),三苯胺乙烯基侧链的引入有效地提高了聚噻吩的空穴迁移率。
　　2.为进一步提高聚噻吩衍生物的空穴迁移率,将空间位阻稍小的空穴传输基元咔唑基团引入到聚合物结构中,合成一种侧基为咔唑乙烯基的聚噻吩衍生物CARV-PT,并对其进行了结构表征和性能研究。实验结果表明,这个聚合物具有较宽的吸收及相对高的空穴迁移率(5.2×10-4 cm2V-1s-1),说明咔唑乙烯基侧链的引入有效的提高了聚噻吩的空穴迁移率。以CARV-PT为电子给体,PCBM为电子受体,当两者共混质量比为1:1时,制作的本体异质结太阳能电池在AM1.5,100 mW/cm2光照下,能量转换效率为0.20％。
　　3.为进一步有效地提高聚噻吩的空穴迁移率、降低聚合物的HOMO能级以及拓宽聚合物的吸收光谱,设计合成了一种新型的腈基取代的聚(噻吩-乙烯-噻吩)的聚合物CN-PTVT。紫外可见吸收光谱测试表明该聚合物膜具有宽的吸收范围,覆盖从400～750 nm的范围。循环伏安测试结果表明该聚合物的HOMO和LUMO能级分别为-5.15 eV和-3.22 eV,由此可以计算出它具有比较窄的带隙1.93 eV。这说明腈基的引入明显降低了聚合物的HOMO能级。以CN-PTVT为电子给体,PCBM为电子受体构筑本体异质结太阳能电池,在模拟太阳光 AM1.5,100 mW/cm2下,得到高的开路电压0.82 V和比较高的能量转换效率0.30%。基于CN-PTVT的有机场效应晶体管器件显示了高的迁移率5.9×10-3 cm2 V-1 s-1和高的开关比4.9×104,这两个数值接近目前空气稳定无定型聚合物的最高值。
　　4.用Wittig-Horner聚合法合成了两种新的含D-π-A结构的共聚物P(TPA-TPZ)和P(Ph-TPZ),这两个聚合物有明显的溶剂变色效应。对于P(TPA-TPZ),其三氯甲烷溶液为红色,甲酸溶液为绿色;而对于P(Ph-TPZ),其三氯甲烷的颜色为浅黄色,其甲酸溶液的颜色为紫红色。往聚合物溶液中加入Hg2+时,聚合物溶液的荧光被显著淬灭。因此可以利用淬灭荧光的方法对汞离子进行检测。实验结果表明,P(TPA-TPZ)和P(Ph-TPZ)对于Hg2+具有高的选择性和灵敏性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物太阳能电池

1.2.1 有机太阳能电池的基本原理

1.3 有机场效应晶体管

1.4 化学传感器之荧光传感器

1.5 论文的设计思想与研究内容

第2章 含三苯胺乙烯基侧基的聚噻吩衍生物的合成、表征及其光伏性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 含咔唑乙烯基侧链的聚噻吩衍生物的合成及空穴迁移率和光伏性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 含腈基的聚（噻吩乙烯-噻吩）的合成、表征及其在太阳能电池和场效应晶体管方面的应用研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 两种含噻吡嗪共聚单元的共聚物的合成、表征及其在荧光传感器方面的应用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

总结与展望

参考文献

致谢

附录A

附录B 仪器和测试方法

攻读博士学位期间论文发表情况