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基于含氧族杂原子的苯并二唑的D-A型共轭聚合物的合成与光电性能

陈圳辉  
【摘要】:当今,人类社会发展面临的能源问题尤为突出。新材料科技作为新技术革命的基础和先导,在减少能源消耗和利用新能源发挥着越来越大的作用,尤其是体现在太阳能的开发和利用上。聚合物太阳电池(PSCs)因其生产成本较低且可通过溶液加工实现规模化生产等优势而吸引了广泛关注。目前,PSCs的光电转换效率已突破10%,但距离商业应用的门槛依然有不小的距离。效率和稳定性依然是当前PSCs研究的两大科学问题,这都与PSCs的活性层材料有重要关系。设计合成能级合适、吸光能力强、载流子传输性能好的聚合物给体材料依然是PSCs研究的重点。本论文首先综述了聚合物给体材料。为了更好的理解结构与性能之间的关系,我们对这些聚合物进行了合理的分类,便于发现其中的规律与变化。在此基础上,我们围绕含氧族元素(O,S,Se)的苯并二唑稠环单元,合成了双氟代苯并噻二唑(FBT)、双氟代苯并硒二唑(FBS)、烷氧基苯并噻二唑和烷氧基苯并氧二唑等四种受电子芳香稠环,以此构筑了多种D-A型聚合物给体,研究了其结构对光电性能的关系。同时,我们也获得一系列高迁移率、高能量转换效率的聚合物给体材料。在第三章,针对大部分高效率的聚合物给体材料的因空穴传输能力不够高,而在厚膜聚合物太阳电池表现不佳的问题,我们发展了利用高迁移率给体材料提高厚膜太阳电池效率的学术思想。我们设计了由FBT与烷基化的联四噻吩构筑的光学带隙为1.62 e V的D-A型聚合物FBT-Th4(1,4),其吸收光谱表明分子链间聚集能力很强,而且这种链间聚集有分子量和温度的依赖性。我们研究了分子量对光电性能的影响,结果表明提高分子量有利于获得更好的聚合物场效应晶体管(OFET)和太阳电池性能。FBT-Th4(1,4)表现出优异的空穴传输能力和PSCs性能,经100 oC退火的OFET空穴迁移率高达1.92cm2/(Vs);倒装PSCs器件的能量转化效率达到7.64%,而且在活性层厚度在100~440 nm之间的效率都超过6.5%。经进一步的活性层给体材料及形貌的优化,效率可达到9.27%。在第四章,我们用HOMO能级小的单噻吩与噻吩并[3,2-b]噻吩取代联噻吩使相应的D-A型聚合物FBT-DT24-1T和FBT-DT24-TT的HOMO较小而获得较高的开路电压。但FBT-DT24-1T的高分子链间聚集能力弱,吸光能力低,FET空穴迁移率仅有2.6×10-3cm2/(Vs),其太阳电池器件的效率低于1%。而FBT-DT24-TT的高分子链间聚集能力比FBT-Th4(1,4)还强,吸光能力高,FET空穴迁移率达到10-1 cm2/(Vs)水平。分子量对电池性能有较大的影响。基于FBT-DT24-TT-L的倒装结构PSCs的效率仅有3.47%。而FBT-DT24-TT-H的器件效率达到了7.34%,通过添加5%体积分数的氯萘优化形貌,可以使效率进一步提高到7.78%,而且在活性层厚度为100~355 nm的效率都超过6.5%。经进一步的活性层形貌的优化,效率可达到8.81%。在第五章,我们进一步拓展了由FBT和噻吩衍生物构筑的D-A型聚合物给体材料体系,以(E)-2-(2-(噻吩-2-基)乙烯基)噻吩和联硒吩取代FBT-Th4(1,4)重复单元的中间的联噻吩,得到了共轭聚合物FBT-DT24-TVT和FBT-DT24-Bi Se。电化学测试表明两个材料的HOMO能级都比FBT-Th4(1,4)大,与PC71BM共混比为1:1.5,以含3%氯萘的氯苯作为加工溶剂时,基于FBT-DT24-TVT和FBT-DT24-Bi Se的正装聚合物太阳电池器件,尽管开路电压只有~0.69 V,但短路电流和填充因子较高,因而效率分别可达到5.73%和6.08%。在第六章,我们合成了FBT的类似物FBS,并首次合成了与联四噻吩及其衍生物的D-A型聚合物。与前面所述的几个基于FBT的高性能窄带隙聚合物相比,基于FBS的聚合物给体材料聚集能力明显减弱,虽然吸收光谱明显红移,但是Se的引入使HOMO能级抬高,导致了器件的开路电压降低,空穴传输性能及光伏性能也明显不如前者。在第七章,我们合成了烷氧基修饰的苯并噻二唑及苯并氧二唑,与HOMO能级小烷氧基菲构筑了具有较深HOMO能级的D-A型聚合物PPA-DTBT和PPA-DTBX,相应的太阳电池器件的开路电压为~0.86 V。虽然效率分别只有3.03%和1.77%,但是我们的结果表明了菲作为给电子单元应用在构筑D-A型聚合物有利于提高PSCs器件的开路电压。


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