Z字梯型稠环聚合物太阳能电池材料的合成及其光伏性能研究

摘要

本文介绍了聚合物太阳能电池的研究现状。聚合物给体材料是影响聚合物太阳能电池能量转换效率的重要因素之一。为了得到窄带隙、宽吸收的高性能聚合物，设计合成了萘并二噻吩二酮这种含内酰胺结构的z字梯型稠环受体单元，并得到了两种共聚物。以合成的两种聚合物作为给体材料制备本体异质结聚合物太阳能电池，并研究了聚合物的光伏性能等，以及通过量化计算MOPAC2012软件提供的PM7方法对两种聚合物的合成过程进行了反应机理的热力学研究，最终得到了与实验相一致的结果。
　　本研究主要内容包括：⑴合成新型稠环受体单元萘并二噻吩二酮(zTX)，并分别和优良的给体单元噻吩和硒吩合成两种共聚物PThzTX和PSezTX，这两种聚合物都具有良好的热稳定性和较窄的光学带隙，PThzTX和PSezTX的光学带隙分别为2.05 eV和1.97 eV，同时吸收峰从溶液到膜并没有明显的红移，分别为4 nm和8 nm。PThzTX和PSezTX都具有较低的HOMO能级，分别为-5.64eV和-5.65eV，接近于理想的HOMO能级。较低的HOMO能级会使聚合物具有较高的Voc。基于聚合物PThzTX和PSezTX与PC71BM的太阳能电池能量转换效率分别达到0.98％和2.36%。⑵通过MOPAC2012中的程序PM7半经验量子化学方法,计算出两种聚合物(PThzTX和PSezTX)反应过程中间体的相关热力学参数及前线轨道能量值。通过分子热力学参数?Hr和Gr以及前线轨道EHOMO和ELUMO的量子化学计算发现，溴化反应(即d步的反应)最易进行，关环反应(c)和聚合反应(e、f)均需要在加热条件下才能进行的。D-A共聚物PThzTX之间的推-拉电子能力更强，并且这些结论均与实验结果相一致，这说明PM7半经验分子轨道方法为理解推测的反应机理和解释获得的实验结果提供了有利依据。

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第一章 引言

1.1 太阳能电池的研究背景和分类

1.2 聚合物太阳能电池简介

1.2.1 聚合物太阳能电池的发展历程

1.2.2 聚合物太阳能电池的工作原理

1.2.3 聚合物太阳能电池的性能参数

1.2.4 聚合物太阳能电池的器件结构

1.2.5 聚合物太阳能电池的材料

1.2.6 聚合物太阳能电池的制备工艺

1.3 本论文的选题意义及研究内容

第二章 Z字梯型稠环聚合物的合成表征、性能测试及结果与讨论

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂及测试仪器和条件

2.2.2 单体和聚合物的合成

2.3 性能测试及结果与讨论

2.3.1 聚合物的溶解性

2.3.2 聚合物的分子量测定

2.3.3 聚合物的热性能

2.3.4 聚合物的光学性能

2.3.5 聚合物的电化学性能

2.3.6 聚合物的光伏性能

2.3.7 聚合物的形貌表征

2.4 小结

第三章 Z字梯型稠环聚合物合成机理的理论计算研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 分子模型

3.2.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 模型分子的热力学参数

3.3.2 反应过程的热力学分析

3.3.2 反应过程的参数分析

3.4 小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

个人简历

致谢