低能带隙、低HOMO能级的给/受体聚合物太阳能电池材料的设计、合成及光伏性能

【摘要】：聚合物太阳能电池具有重量轻、成本低、可大面积成膜、柔性以及性能可调控等优点。共轭聚合物是聚合物太阳能电池的材料基础,设计和合成综合性能优良的新型聚合物材料对提高聚合物太阳能电池性能和能量转化效率具有非常重要的意义。本论文通过合成不同的给体单元和受体单元,合成了一系列新型的,尤其含有强吸电子内酰亚胺和内酰胺基团的低能带隙聚合物,同时实现了材料的低能带隙、低HOMO能级并研究了分子结构与材料光电性能的关系以及对光伏器件性能的影响,主要内容如下: 1.本论文第二章以3,4-乙撑二氧噻吩(EDOT)为电子给体单元,以喹啉胺和噻二唑喹啉胺为受体单元,合成了EDOT-喹啉胺和EDOT-噻二唑喹啉胺共轭聚合物,聚合物有良好的热稳定性。研究了聚合物的光物理性质、电化学性质以及光伏性能,以这些聚合物为给体材料,富勒烯衍生物PC_(61)BM为受体材料,制备了本体异质结聚合物太阳能电池器件,能量转化效率最高为0.6%,开路电压为0.52 V,短路电流为3.24 mA/cm~2。 2.利用在受体单元上引入强吸电子基团来降低聚合物的HOMO能级,本论文第三章合成了一种含有强吸电子内酰亚胺基团的受体单元邻苯二甲酰亚胺衍生物。以苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩为给体单元,合成了新型共轭聚合物PBDTPh和PBDTPhBT。紫外可见吸收光谱表明聚合物在可见光部分有强的吸收峰,电化学测试表明聚合物有低的HOMO能级。以聚合物为给体材料,富勒烯衍生物PC_(71)BM为受体材料,制备了本体异质结聚合物太阳能电池器件,器件获得了高的开路电压,在0.89-0.93 V之间,能量转化效率达到1.54%。 3.为了拓宽聚合物在可见光部分的吸收,第四章的第一节设计合成了以二氧吡咯噻吩为受体单元,在受体单元上也含有强吸电子的内酰亚胺基团,目的是获得低的HOMO能级和较高的开路电压。以苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩为给体单元,合成了新型共轭聚合物PBDTDPT1和PBDTDPT2。紫外可见吸收光谱表明新的聚合物与含邻苯二甲酰亚胺的聚合物相比有更宽的吸收峰,电化学研究表明聚合物PBDTDPT1和PBDTDPT2具有低的HOMO能级,分别达到-5.44和-5.42 eV。光伏器件测试结果证实,聚合物与PC_(71)BM组成的本体异质结聚合物太阳能电池器件获得了优异的性能,开路电压高达0.91-0.97 V。PBDTDPT1和PBDTDPT2与PC_(71)BM组成的本体异质结聚合物太阳能电池器件经初优化后的短路电流分别为6.58和10.34 mA/cm~2,能量转化效率分别达到3.42%和4.79%。 4.由于在受体两边引入推电子单元一般会降低聚合物的能带隙,第四章的第二节在PBDTDPT1和PBDTDPT2的基础上,在二氧吡咯噻吩单元两边引入了推电子的3-烷基噻吩单元,仍然以苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩为给体单元,合成了新型共轭聚合物PBDTTPT1和PBDTTPT2。同时将二氧吡咯噻吩单元上的大支链改成直链。研究结果显示新的聚合物能带隙下降并不明显,由原来的1.84 eV下降到了1.82和1.78 eV。新的聚合物也具有比较好的光伏性能,开路电压仍然高达0.90 V。PBDTTPT1和PBDTTPT2与PC_(71)BM组成的本体异质结聚合物太阳能电池器件的能量转化效率分别达到2.43%和2.68%。 5.第五章设计合成了含另一种强吸电子基团内酰胺的单体异靛蓝。分别以噻吩、噻吩并[2,3-b]噻吩和苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩为给体单元,合成了一系列含异靛蓝的聚合物,并研究了这些聚合物的光学、电化学以及光伏性能。研究表明,异靛蓝聚合物的吸收峰覆盖整个可见光区域,同时聚合物具有较低的HOMO能级,合适的LUMO能级以及理想的光学能带隙。以异靛蓝的聚合物为给体材料,PC_(71)BM为受体材料,制备了本体异质结聚合物太阳能电池器件,初步研究了光伏性能,能量转化效率最高达到1.91%。 6.第六章合成了另一种含强吸电子内酰胺基团的单体3.6-二烷基-2,5-二吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(DPP)作为受体单元,DPP单元本身具有好的共轭结构,有强的π-π相互作用,内酰胺基团使得DPP单元高度缺电子。同时以具有平面性很好的噻吩并[2,3-b]噻吩为给体单元,合成了新型共轭聚合物PTT-DTDPP。聚合物具有宽的吸收带,覆盖整个可见光并延伸至近红外区域。同时具有良好的热稳定性和较低的HOMO能级,器件初步优化的能量转化效率为1.60%。 【关键词】：低能带隙 共轭聚合物 Stille偶联 聚合物太阳能电池
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-62
• 1.1 聚合物太阳能电池发展历程14-17
• 1.2 聚合物太阳能电池工作机理17-18
• 1.3 聚合物太阳能电池的结构18-21
• 1.4 聚合物太阳能电池的性能参数21-23
• 1.5 聚合物太阳能电池材料23-48
• 1.5.1 受体材料23-25
• 1.5.2 给体材料25-46
• 1.5.3 聚合物太阳能电池材料的理想能级和能带隙46-48
• 1.6 本论文的设计思想和内容48-51
• 参考文献51-62
• 第二章 低能带隙3,4-乙撑二氧噻吩-喹啉胺和3,4-乙撑二氧噻吩-噻二唑喹啉胺共轭聚合物的合成、氧化还原和光伏性能62-79
• 2.1 引言62
• 2.2 实验部分62-68
• 2.2.1 实验药品62-63
• 2.2.2 仪器63
• 2.2.3 器件的制作63
• 2.2.4 单体和聚合物的合成63-68
• 2.3 结果与讨论68-74
• 2.3.1 合成与表征68-69
• 2.3.2 聚合物的热性能69-70
• 2.3.3 聚合物的光学性能70-71
• 2.3.4 电化学性能71-72
• 2.3.5 光伏性能72-74
• 2.4 结论74-75
• 参考文献75-79
• 第三章 基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩和邻苯二甲酰亚胺单元的共轭聚合物的合成及光伏性能79-97
• 3.1 引言79-81
• 3.2 实验部分81-86
• 3.2.1 实验药品81
• 3.2.2 仪器81-82
• 3.2.3 器件的制作82
• 3.2.4 单体和聚合物的合成82-86
• 3.3 结果与讨论86-92
• 3.3.1 合成与表征86-87
• 3.3.2 热性能87-89
• 3.3.3 光学性能89
• 3.3.4 电化学性能89-90
• 3.3.5 光伏性能90-92
• 3.4 结论92-93
• 参考文献93-97
• 第四章 基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩和二氧吡咯噻吩单元的D-A 聚合物的合成和性能研究97-128
• 4.1 基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩-二氧吡咯噻吩聚合物为基础的高性能聚合物太阳能电池97-112
• 4.1.1 引言97-98
• 4.1.2 实验部分98-102
• 4.1.2.1 实验药品98
• 4.1.2.2 仪器98-99
• 4.1.2.3 器件的制作99
• 4.1.2.4 单体和聚合物的合成99-102
• 4.1.3 结果与讨论102-112
• 4.1.3.1 合成与表征102-103
• 4.1.3.2 热性能103-104
• 4.1.3.3 光学性能104-106
• 4.1.3.4 电化学性能106
• 4.1.3.5 光伏性能106-112
• 4.2 低能带隙聚合物基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩和二噻吩-二氧吡咯噻吩单元的合成及其光伏应用112-124
• 4.2.1 引言112-113
• 4.2.2 实验部分113-117
• 4.2.2.1 实验药品113
• 4.2.2.2 仪器113
• 4.2.2.3 器件的制作113-114
• 4.2.2.4 单体和聚合物的合成114-117
• 4.2.3 结果与讨论117-124
• 4.2.3.1 合成与表征117
• 4.2.3.2 热性能117-118
• 4.2.3.3 光学性能118-120
• 4.2.3.4 电化学性能120-121
• 4.2.3.5 光伏性能121-124
• 4.3 结论124-125
• 参考文献125-128
• 第五章 基于异靛蓝衍生物为受体单元的共轭聚合物的合成及性能研究128-145
• 5.1 引言128-129
• 5.2 实验部分129-134
• 5.2.1 实验药品129
• 5.2.2 仪器129-130
• 5.2.3 器件的制作130
• 5.2.4 单体和聚合物的合成130-134
• 5.3 结果与讨论134-142
• 5.3.1 合成与表征134-135
• 5.3.2 热性能135-136
• 5.3.3 光学性能136-138
• 5.3.4 电化学性能138-139
• 5.3.5 光伏性能139-142
• 5.4 结论142-143
• 参考文献143-145
• 第六章 基于3,6-二烷基-2,5-二吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮单元的共轭聚合物的合成及光伏性能145-159
• 6.1 引言145-146
• 6.2 实验部分146-149
• 6.2.1 实验药品146
• 6.2.2 仪器146
• 6.2.3 器件的制作146-147
• 6.2.4 单体和聚合物的合成147-149
• 6.3 结果与讨论149-155
• 6.3.1 合成与表征149-150
• 6.3.2 热性能150
• 6.3.3 光学性能150-151
• 6.3.4 电化学性能151-153
• 6.3.5 光伏性能153-155
• 6.4 结论155-156
• 参考文献156-159
• 全文总结159-162
• Ⅰ本文主要内容159-161
• Ⅱ本文主要创新之处161-162
• 致谢162-163
• 附录Ⅰ发表与博士学位论文相关的论文和专利163-164
• 附录Ⅱ164-195

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