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新型共轭聚合物的合成及其光电性能研究

王晓晨  
【摘要】:共轭聚合物的设计与合成一直是化学与材料学领域研究的一个热点。本论文的工作主要通过研究共轭聚合物结构与性能的关系,设计合成出一系列具有鲜明特色的,可以满足不同应用领域要求的共轭聚合物材料,并针对其各自不同的性能特点,进行了电致发光器件、聚合物太阳能电池及有机场效应器件的应用研究。 1、针对于聚合物不同的分子形态光电性能的不同,设计合成出了不同分子形态的卟啉聚合物。利用二溴芴、四对溴苯基卟啉与芴二硼酸酯通过Suzuki缩合聚合反应合成了一系列卟啉-芴超支化共聚物。通过调节不同的卟啉含量,可以对聚合物的光学性能,电化学性能,电致发光性能进行调节。其电致发光色坐标可以从近白光区逐渐变化到深红色区。基于P12的电致发光器件可以发出饱和纯正的红光,发光亮度达到了740cd/m2,为卟啉类聚合物材料纯红光电致发光亮度的最高值。 2、通过Lindsey法合成了一种小空间位阻的卟啉衍生物5,15-二辛基卟啉。在10,20位引入炔基,与经典的吸电子单元苯并噻二唑衍生物通过Sonogashira缩合聚合反应合成了线性D-A型卟啉-苯并噻二唑共聚物PPor-BT。该聚合物具有非常宽的吸收光谱,证明在聚合物中引入吸电子单元能够有效地拓宽卟啉类聚合物的吸收光谱,增强卟啉聚合物的Q带吸收,有利于更好地利用太阳光。基于PPor-BT的载流子迁移率达到4.3×10~(-5)cm~2v~(-1)s~(-1)。 3、首次将卟啉单元以侧接方式引入聚合物,合成了基于侧接卟啉的D-A型共轭聚合物,该聚合物融合了卟啉的高消光系数和D-A型共聚物的宽吸收光谱,更充分地利用了太阳光,基于该聚合物的太阳能电池,能量转换效率达到2.53%,为卟啉类聚合物BHJ太阳能电池的最高值。 4、通过Stille偶联反应合成了一系列基于苯并二噻吩和苯并噻二唑单元的D-π-A型共聚物。研究发现不同π桥单元对聚合物分子立体结构有着显著的影响,从而导致其光物理、电化学等性能的变化。以呋喃、噻吩和并噻吩为桥的聚合物带隙分别为1.96、1.82和1.78eV。以并噻吩作为π桥有利于拓宽聚合物的吸收光谱,提高相应太阳能电池器件的填充因子,其光电转化效率可达4.93%。 5、针对基于并噻吩桥的聚合物光伏器件开路电压低的问题,通过分子设计,移除苯并噻二唑单元上推电子的烷氧基或者引入强电负性的氟原子或氧原子,降低聚合物的HOMO能级的同时,增强了分子内电荷转移效应,扩宽了聚合物的吸收光谱。相应光伏器件的开路电压从0.69V分别提高到了0.74V,0.82V和0.79V,能量转换效率分别达到了4.37%,3.30%和6.26%。 6、通过Suzuki偶联反应合成了一系列基于芴单元的D-A型共聚物。研究了共轭聚合物的原子效应。将聚合物不同位置的硫原子替换为电负性更强的氧原子之后,聚合物的HOMO能级均降低,材料的吸收光谱则由于分子内电荷转移效应的不同而发生变化,聚合物光学带隙从2.03eV分别变为2.18和1.85eV。同时,这种分子内电荷转移效应的变化显著地改变了聚合物的光伏性能。 7、将烷基取代的二茚并二噻吩衍生物(IDT)用于聚合物太阳能电池,合成了一系列基于烷基取代IDT单元的共轭聚合物。聚合物PIDT-DPP的开路电压达到0.88V,光电转换效率为1.76%,场效应迁移率达到0.065cm~2V~(-1)s~(-1)。聚合物PIDT-DTBT的光电转化效率达到6.17%。 8、合成了二氰基二苯乙烯衍生物,并通过Stille偶联反应分别与苯并二噻吩单元和二聚茚噻吩单元聚合合成了基于二氰基二苯乙烯的D-A型共轭聚合物PBDT-DCS和PIDT-DCS。首次研究了二氰基二苯乙烯类共轭聚合物的光伏性能。基于PIDT-DCS的本体异质结太阳能电池的开路电压达到了0.90V,能量转换效率为1.03%。 9、通过Stille缩合聚合反应合成了一系列含有不同酰亚胺吸电子取代基的聚噻吩乙烯衍生物。带有不同数量吸电子取代基的聚噻吩乙烯衍生物的吸收光谱很相近,光学带隙在1.66-1.78eV之间。酰亚胺吸电子取代基的增加可以显著降低聚合物的HOMO和LUMO能级,使聚合物与PC_(71)BM形成的异质结器件的电荷分离情况产生显著的差异。通过引入适当数量的吸电子取代基,使聚合物太阳能电池的能量转换效率提高了3倍。并藉由这一系列聚合物研究了聚噻吩乙烯衍生物吸电子取代基效应-聚合物能级结构-聚合物光伏性能之间的关系。


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