含苯并二噻吩及噻吩衍生物的共轭聚合物的合成及光伏性能研究

【摘要】：聚合物太阳能电池(PSCs)具有造价低廉、质量轻便、可制备柔性大面积器件等优点而倍受关注。迄今为止,本体异质结(BHJ)是PSCs中最成功的器件结构。尽管大量新型光伏材料的开发使得PSCs的能量转换效率(PCE)逐步提高,但要实现PSCs的实际使用仍有大量工作要做。对聚合物给体材料来说,限制其光伏性能的因素包括吸收光谱窄、摩尔吸光系数低、分子能级不匹配及载荷子迁移率低等。本论文主要设计并合成了两个基于苯并二噻吩(BDT)的共轭聚合物系列,通过在聚合物的侧链引入吸电子结构单元,形成主链为给电子结构单元,侧链为吸电子结构单元的新型D-A共轭聚合物。我们采用了1H-NMR、13H-NMR、FT-IR、MALDI-TOF MS对其结构进行了表征,并采用Uv-Vis吸收光谱、循环伏安、电流-电压曲线测试了聚合物的光物理、电化学和光伏性能。具体如下： 1.设计并合成了六种基于苯并二噻吩(BDT)和分别带有吸电子基噁二唑(OXD)、酯基和烷基侧链的噻吩衍生物的交替共轭聚合物(PL1-PL6)。实验结果表明,与共聚合物主链具有共轭作用的吸电子OXD和甲酸酯基侧链可有效地拓宽聚合物的吸收光谱,并降低聚合物的能隙,从而提高聚合物的光伏性能。以六种共聚物作为给体,PC61BM作为受体,制备了聚合物本体异质结器件(重量比1：2)。在AM 1.5 G太阳光条件下(100 mW/cm2),基于PL3和PL5的太阳能电池器件的能量转换效率分别为1.98%和2.06%。 2.设计并合成新型共轭聚合物P1-P4,偶联BDT的4-和8-位,使其嵌入到共轭聚合物的主链,并在BDT结构单元上引入不同吸电子结构单元：醛基、2-乙烯基丙二酸二乙酯,使其形成主链为给电子结构单元,侧链为吸电子结构单元的新型D-A共轭聚合物。研究结果表明,如果BDT上的醛基的功能化反应不完全时,会破坏聚合物的规整性,导致吸收光谱蓝移,聚合物的能隙增大,其光伏性能下降。在AM 1.5 G太阳光条件下(100 mW/cm2),基于P1太阳能电池器件的能量转换效率为0.35%。