新型氟代太阳能电池给体材料的合成及性能研究

【摘要】：有机/聚合物太阳能电池由于其价格低廉、质量轻、加工工艺简单且材料结构可以调控而引起研究者的广泛关注。虽然目前聚合物太阳能电池的效率可以达到10%,但是实现商业化生产还有诸多的问题需要解决。目前的限制因素主要有给体材料的光响应范围窄、与受体材料的能级不匹配、电子/空穴的迁移率低等。因此,设计合成性能优良的给体材料仍是提高器件效率的关键。本论文围绕咔唑类、苯并二噻吩类、双氟代苯并噻二唑类及噻吩并吡咯二酮类衍生物展开研究,设计合成了11种不同性能的氟代太阳能电池给体材料。1、在本文的第二章中,设计合成了一种双氟代苯并噻二唑衍生物,并以此为受体单元,三种不同烷基的咔唑为给体单元,通过Suzuki偶联反应制备了一系列共轭聚合物PCDTff BT。通过FT-IR、1H NMR及GPC对其结构进行了表征,同时对聚合物的热稳定性、光物理和电化学性能进行了分析。结果表明,三种聚合物具有较高的分子量、良好的热稳定性和较窄的带隙(约1.95 e V左右)。通过循环伏安测得其HOMO能级在-5.20 e V左右,可作为给体材料应用于聚合物太阳能电池器件的制备。2、本文第三章首先合成了噻吩并吡咯二酮受体单元,同时将咔唑和氟代苯并噻二唑引入到聚合物主链,制备了一系列三元共轭聚合物PC-DTff BT-TPD。通过FT-IR、1H NMR及GPC对其结构进行表征,同时对聚合物的热稳定性、光物理和电化学性能进行了分析。结果表明,三种聚合物具有较高的分子量、良好的热稳定性。在可见光400~600 nm范围内具有较强的吸收,通过循环伏安测得其HOMO能级和LUMO能级分别在-5.20 e V左右和-3.30 e V左右,是一种较好的太阳能电池给体材料。3、本文第四章首先合成了苯并二噻吩给体单元,同时将氟代苯并噻二唑和噻吩并吡咯二酮引入聚合物主链,制备了一系列三元共轭聚合物PBDT-DTff BTTPD。通过FT-IR、1H NMR及GPC对其结构进行表征,同时对聚合物的热稳定性、光物理和电化学性能进行了分析。结果表明,五种聚合物具有较高的分子量、良好的热稳定性。随着TPD含量的增加,聚合物的光响应范围扩大至750nm,几乎覆盖整个可见光区,对太阳光的利用效率有了很大的提高。通过循环伏安测得聚合物的HOMO能级和LUMO能级分别为-5.32 e V左右和-3.53 e V左右,可作为给体材料应用于聚合物太阳能电池领域。 【关键词】：聚合物太阳能电池 氟代共轭聚合物 给体材料 合成
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O633.5;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 文献综述12-38
• 1.1 聚合物太阳能电池的发展历程12-20
• 1.2 聚合物太阳能电池的工作原理及效率影响因素20-22
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的工作原理20-21
• 1.2.2 聚合物太阳能电池光电转换效率的影响因素21-22
• 1.3 聚合物太阳能电池的结构和性能参数22-27
• 1.3.1 聚合物太阳能电池的结构22-25
• 1.3.2 聚合物太阳能电池的性能参数25-27
• 1.4 聚合物光伏材料27-31
• 1.4.1 给体材料27-30
• 1.4.2 受体材料30-31
• 1.5 氟代聚合物太阳能电池材料的研究进展31-36
• 1.6 本论文的选题依据和研究内容36-38
• 2 D-A聚合物PC-DTff BT的合成、表征及光电性能研究38-55
• 2.1 引言38
• 2.2 材料的合成38-45
• 2.2.1 试剂和仪器38-40
• 2.2.2 2,7-二(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧代硼烷-2-基)-N-烷基咔唑的合成40-43
• 2.2.3 聚合物 PC-DTff BT 的合成43-45
• 2.3 结果与讨论45-53
• 2.3.1 单体及D-A聚合物PC-DTff BT的红外(FT-IR)谱图分析45-46
• 2.3.2 单体及D-A聚合物PC-DTff BT的核磁(1H-NMR)谱图结构分析46-48
• 2.3.3 D-A聚合物PC-DTff BT的分子量(GPC)表征48
• 2.3.4 D-A聚合物PC-DTff BT的热稳定性分析48-49
• 2.3.5 D-A聚合物PC-DTff BT的紫外-可见(UV-Vis)光谱分析49-51
• 2.3.6 D-A聚合物PC-DTff BT的荧光(PL)光谱分析51-52
• 2.3.7 D-A聚合物PC-DTff BT的循环伏安(CV)特性52-53
• 2.4 小结53-55
• 3 三元聚合物PC-DTff BT-TPD的合成、表征及光电性能研究55-68
• 3.1 引言55
• 3.2 材料的合成55-60
• 3.2.1 试剂和仪器55-57
• 3.2.2 1,3-二溴5乙基己基-噻吩并[3,4-C]吡咯-4,6-二酮的合成57-58
• 3.2.3 三元聚合物PC-DTff BT-TPD的合成58-60
• 3.3 结果与讨论60-67
• 3.3.1 TPD 单体和三元聚合物 PC-DTff BT-TPD 的红外(FT-IR)谱图分析60-61
• 3.3.2 TPD 单体和三元聚合物 PC-DTff BT-TPD 的核磁(1HNMR)谱图分析61-62
• 3.3.3 三元聚合物PC-DTff BT-TPD的分子量(GPC)表征62-63
• 3.3.4 三元聚合物PC-DTff BT-TPD的热稳定性分析63
• 3.3.5 三元聚合物PC-DTff BT-TPD的紫外-可见(UV-Vis)光谱分析63-65
• 3.3.6 三元聚合物PC-DTff BT-TPD的荧光(PL)光谱分析65-66
• 3.3.7 三元聚合物PC-DTff BT-TPD的循环伏安(CV)特性66-67
• 3.4 小结67-68
• 4 三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的合成、表征及光电性能研究68-84
• 4.1 引言68
• 4.2 材料的合成68-74
• 4.2.1 试剂和仪器68-70
• 4.2.2 2,6-二(三甲基锡)-4,8-二(5-(2-乙基己氧基)噻吩基2基)-苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的合成70-71
• 4.2.3 三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的合成71-74
• 4.3 结果与讨论74-83
• 4.3.1 单体和三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的红外(FT-IR)谱图分析74-75
• 4.3.2 单体及三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的核磁(1HNMR)谱图分析75-77
• 4.3.3 三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的分子量(GPC)表征77
• 4.3.4 三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的热稳定性分析77-78
• 4.3.5 三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的紫外-可见(UV-Vis)光谱分析78-80
• 4.3.6 三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的荧光(PL)光谱分析80-82
• 4.3.7 三元聚合物PBDT-DTff BT-TPD的循环伏安(CV)特性82-83
• 4.4 小结83-84
• 5 总结与展望84-85
• 参考文献85-97
• 附录A 聚合物GPC谱图97-101
• 在学研究成果101-102
• 致谢102

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