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《华南理工大学》 2019年
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烷氧基取代的酰亚胺并苯并三唑共轭聚合物的合成及光伏性能

李康  
【摘要】:有机/聚合物太阳电池因其活性层材料种类丰富、质量轻以及可大面积低成本制备等独特优点,是未来最有发展前景的太阳电池技术之一。近年来,由于吸收光谱、能级可调的非富勒烯型受体的快速进展,研究者们将目光聚焦于非富勒烯型聚合物太阳电池。为了实现高效的非富勒烯型太阳电池,利用具有吸光互补的给体、受体来构建光活性层是提高能量转换效率的关键,因此宽带隙共轭聚合物给体的开发成为了聚合物太阳电池领域的热点。由酰亚胺并苯并三唑(TzBI)吸电子单元构建的宽带隙共轭聚合物具有良好的光电性质,在主链和侧链均有很大的改性空间,是一个十分具有潜力的材料。为了进一步获得更高效的宽带隙共轭聚合物材料,本论文主要围绕烷氧基取代的酰亚胺并苯并三唑吸电子单元构建系列宽带隙共轭聚合物开展了以下工作:本文第二章,在TzBI吸电子单元中的酰亚胺上进行侧链的修饰,引入烷氧基链合成了烷氧基取代的酰亚胺并苯并三唑(TzBI-O)吸电子单元,与苯并二噻吩单元构筑了聚合物PTzBI-O。氧原子的引入使得吸收光谱发生红移并且降低了HOMO能级,聚合物在甲苯溶剂中发生了预聚集使得PTzBI-O纯膜和N2200纯膜的吸收均会发生红移。无论用卤代溶剂(甲苯)还是用非卤代溶剂(氯仿和氯苯)加工,基于PTzBI-O:N2200体系的器件性能均高于PTzBI:N2200,主要表现为提高的短路电流密度和开路电压。基于PTzBI-O:N2200器件,甲苯加工的PCE最高可到7.91%,而氯苯加工的PCE为7.39%,氯仿加工的PCE只有6.58%。此工作为发展新型宽带隙聚合物给体材料和绿色加工全聚合物太阳电池提供重要参考意义。本文第三章,在聚合物PTzBI-O(本章命名为Ph00)的基础上通过引入第三组分BDTP单元代替BDDT单元,合成了一系列三元共聚物给体材料。研究了BDTP单元的含量对聚合物材料的光/电性质和器件光伏性能的影响。随着BDTP含量的增加,聚合物的吸收光谱逐渐蓝移,HOMO能级逐渐降低。基于三元共聚物:ITIC的非富勒烯太阳电池器件中,随着BDTP单元含量的增加,开路电压呈现逐渐增大的趋势,填充因子呈现先升高后降低的趋势,三元共聚物Ph50表现出更高的光伏性能,其PCE为8.55%,高于二元聚合物Ph00(7.42%)和Ph100(7.62%)的器件效率,基于三元共聚物器件的填充因子的提高主要归因于其拥有更为平衡的电荷迁移率。此工作证明了三元共聚是一种提高能量转换效率的有效策略。本文第四章,为改善活性层分子间的堆积方式,在传统线型聚合物受体N2200的主链上引入三聚茚作为核单元合成了P3F-0.5和P3F-2两个支化聚合物受体材料。研究了三聚茚核单元的引入对聚合物受体结晶性质、分子链间的堆积以及整体器件性能的影响。DSC测试表明随着三聚茚含量的增加,聚合物的结晶能力有所下降,然而GIWAXS图中支化聚合物受体的共混膜(100)反射峰表现更窄的方位角积分分布,说明支化聚合物受体在共混薄膜中可以改善分子侧链的堆叠。基于PTzBI-O:P3F-2的全聚合物太阳电池器件PCE可达8.0%,高于PTzBI-O:N2200的6.7%的器件效率。这是首次将支化聚合物受体材料应用于全聚合物太阳电池中,为聚合物受体材料的设计提供了新的策略。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM914.4

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