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新型给体—受体共轭聚合物的设计、合成及其有机光伏太阳能电池性能研究

胡超  
【摘要】:有机太阳能电池材料主要具有这些优点:重量轻,可制作柔性器件,易于通过化学结构的修饰来调控相应器件的性能。作为一类特殊的有机材料,聚合物太阳能电池材料除了具备以上这些有机材料的优点之外,还具有一个非常重要的特点:可溶液加工。典型的溶液加工方法主要包括:喷墨打印和旋涂。溶液加工方法的使用能大大降低加工成本,同时易于制作大面积器件。因此,聚合物太阳能电池材料可溶液加工的这一优点尤其受到工业界的关注。许多聚合物被合成,并且被成功的用作本体异质结(BHJ)聚合物太阳能电池(PSC)活性层中的电子给体材料,取得了高能量转化效率(PCE)。设计和合成新的单体,从而合成新的低能带隙聚合物是这一领域重要的研究方向之一;目的是合成具有良好光物理性能和电化学性能的全新聚合物,进而被用作本体异质结聚合物太阳能电池活性层中的电子给体材料,来达到研究材料的化学结构和光伏器件性能间关系的目的,这将对今后合理设计此类材料提供非常重要的帮助。本论文的内容是设计和合成全新的用于聚合物太阳能电池活性层的电子给体材料,主要内容包括: 1.第二章的工作中,设计和合成了均苯四甲酰二亚胺单体(BDI),以及基于这个单体的三个共轭聚合物PTBDI,PTTBDI和PBBDI。三个新聚合物的光学和电化学性能得到了表征。这三个聚合物没能被成功用作半导体器件材料。尽管如此,对基于BDI的聚合物与其基于NDI、PDI相似物的光学和电化学性能的比较,使我们加深了对具有类似化学结构的材料性质的理解,将会对以后设计更理想的共轭聚合物材料提供有益的指导。 2.第三章的工作中,基于合成并环戊二烯(pentalene)衍生物的最新进展,将并环戊二烯(pentalene)单元引入到共轭聚合物的设计与合成中,设计并合成了基于并环戊二烯的全新单体——二噻吩并[a,e]并环戊二烯。基于该单体,合成了两个新共轭聚合物,并研究了它们的热性能、光学性能和电化学性能,对并环戊二烯(pentalene)单元在有机半导体领域的应用潜力进行了探索,为各类有机半导体器件提供了一类新的共轭聚合物材料。 3.第四章的工作中,采用新的共轭聚合物构建单元——2,5-二呋喃噻唑并[5,4-d]噻唑(DFTT)为受体单元,烷氧基取代的苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩(BDTO)和2,3-二烷基噻吩取代的苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩(BDTT)作为给体单元,来合成新的D-A共轭聚合物PBDTODFTT和PBDTTDFTT,对它们的热学性能、光学性能和电化学性能进行了比较和研究。基于两个材料的聚合物太阳能电池器件被制作并研究和比较。基于PBDTODFTT和PBDTTDFTT的器件的能量转化效率分别达到1.87%和3.06%。 4.第五章工作中,我们设计和合成了两个新的苯并二呋喃单体:苯并[1,2-b:5,4-b’]二呋喃(syn-BDF)和苯并[1,2-b:4,5-b’]二呋喃(anti-BDF),两个苯并二呋喃单体都被设计为中心苯环上不含具有推电子效应的烷氧基,这样设计的目的就是为了尽量降低相应聚合物的HOMO能级。在此基础上将他们与二氧吡咯噻吩共聚,得到两个新的共轭聚合物syn-PBDFDPT和anti-PBDFDPT,但是anti-PBDFDPT溶解性差,导致对其的后续研究不能进行。因此,我们对syn-PBDFDPT的光学、电化学和热学性能进行了研究。基于syn-PBDFDPT的聚合物太阳能电池器件被制作并被初步研究。基于syn-PBDFID的两个器件的能量转化效率只达到0.021%和0.014%。在此基础上,为了改进材料的性能,合成了以syn-BDF和anti-BDF为给体单元,以异靛蓝为受体单元的新聚合物syn-PBDFID和anti-PBDFID,异靛蓝单体的使用有效延长了材料的吸收波长,同时增加了材料的溶解性。我们对两个新共轭聚合物的光学、电化学和光伏性能进行了研究。syn-PBDFID比anti-PBDFID具有更低的HOMO能级;在相应的光伏器件中,syn-PBDFID比anti-PBDFID得到了更高的开路电压(Voc)。基于syn-PBDFID和anti-PBDFID的器件的能量转化效率分别达到1.44%和0.65%。


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