基于聚噻吩衍生物的有机太阳能电池材料的研究

【摘要】：随着人类社会的快速发展，寻求并有效利用可持续的、不受地域限制的、安全绿色的能源是未来发展的主要方向。目前，对于太阳能的开发利用已经成为研究的焦点，而将太阳能转变为电能是最有效的利用手段。因此，太阳能电池已经受到人们普遍的关注，其中无机太阳能电池已经被商业化，但考虑到无机太阳能电池的高成本、工艺复杂，人们已经着眼于有机太阳能电池。 目前，P3HT（聚3-己基噻吩）为电子给体和PCBM（C60富勒烯衍生物）为电子受体的体异质结聚合物有机太阳能电池由于其成本低廉、容易加工（可用旋涂、喷墨、滚筒印刷等方式大规模生产）等优势成为了最有商业化潜质的有机太阳能电池体系，但其光电转换效率尚不理想。作为有机太阳能电池的基础，设计和合成性能优异的有机活性层材料是提高和改善有机太阳能电池性能的关键。本论文对基于聚噻吩衍生物的有机太阳能电池的材料进行研究，主要是对基于P3HT（聚3-己基噻吩）为电子给体的有机太阳能电池的给体材料进行研究。通过合成新的聚合物，并将其与P3HT掺杂拓宽对太阳光谱的吸收，进而提高有机太阳能电池的转换效率。 在这篇论文中，我们合成了两种目标单体、四种聚合物，并对它们的分子量、紫外光谱、荧光光谱、核磁共振氢谱、模拟性质进行了研究，并探讨了分子结构和某些性能之间的联系，希望能为进一步探索性能更加优异的有机太阳能电池奠定基础。论文主要内容如下： 1.详细介绍了有机太阳能电池的作用机理、结构、性能参数及材料的研究进展。 2.合成了两种芴乙烯衍生物：9,9-二丁基-2-乙烯基-芴(9,9-dibutyl-2-vinyl-fluorene)、9,9-二己基-2-乙烯基-芴（9,9-dihexyl-2-vinyl-fluorene）。测试了紫外吸收和荧光发射光谱；采用密度泛函(DFT)和含时密度泛函的方法对其几何结构和激发态进行模拟计算，与我们的实验结果基本一致；利用1HNMR对单体的结构进行了表征，测试结果证实产物为目标产物。 3.分别以9,9-二丁基-2-乙烯基-芴、9,9-二己基-2-乙烯基-芴为单体，合成了两种均聚物PBF、PHF;将两种单体分别与9-乙烯基-咔唑聚合，合成了两种共聚物PBF-CaZ、PHF-CaZ。利用凝胶渗透色谱（GPC）测试聚合物的分子量，证明是大分子。利用紫外和荧光技术分别探讨了溶液态和薄膜态聚合物的分子结构与光学性能之间的关系，得出：仅仅是碳链长度的变化对紫外吸收的影响很小；与单体相比，聚合反应时双键变成单键，减小了体系的共轭程度，导致最大吸收峰发生蓝移；共聚物与单体、均聚物相比，双键发生聚合变成单键，最大吸收峰蓝移。CH2的隔离效应，导致共聚物的紫外吸收是芴和咔唑的生色团吸收的叠加。 4.将PBF、PHF、PBF-CaZ、PHF-CaZ分别与P3HT掺杂，利用紫外吸收光谱对薄膜态共混物的分子结构与光学性能之间的关系进行了探讨。PBF-CaZ掺杂P3HT、PHF-CaZ掺杂P3HT的薄膜的吸收光谱是芴、咔唑以及P3HT三者之间吸收峰的叠加，没有出现其它的吸收峰，也没有发生吸收峰位置的移动，证明PBF-CaZ、PHF-CaZ与P3HT基态之间无明显相互作用。共聚物吸收的是400nm以下的太阳光谱，而P3HT吸收的太阳光谱的范围是400—600nm，因此聚合物与P3HT掺杂之后将扩大对太阳光谱的吸收范围，从而使有机太阳能电池效率的进一步提高成为可能。 【关键词】：有机太阳能电池 P3HT 给体材料 芴乙烯衍生物 聚合物
【学位授予单位】：沈阳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 引言12-13
• 1.2 有机太阳能电池的作用机理、结构及性能参数13-19
• 1.2.1 有机太阳能电池的作用机理13-15
• 1.2.2 有机太阳能电池的结构15-17
• 1.2.3 有机太阳能电池的性能参数17-19
• 1.3 有机太阳能电池材料的研究进展19-26
• 1.3.1 阳极和阴极材料19-20
• 1.3.2 有机活性层材料20-25
• 1.3.3 材料对有机太阳能电池性能的影响25-26
• 1.4 本课题的立题依据和主要研究内容26-28
• 2 实验过程和测试方法28-36
• 2.1 实验仪器与试剂28-29
• 2.1.1 实验仪器28
• 2.1.2 实验试剂28-29
• 2.2 材料的制备过程及合成路线29-33
• 2.2.1 芴-乙烯衍生物的合成30
• 2.2.2 聚芴系列物的合成30-32
• 2.2.3 聚芴系列物与 P3HT 进行掺杂32-33
• 2.3 材料的表征与测试33-36
• 2.3.1 核磁共振氢谱分析33
• 2.3.2 凝胶渗透色谱分析33-34
• 2.3.3 紫外可见吸收光谱分析34
• 2.3.4 荧光光谱分析34
• 2.3.5 计算机模拟性分析34-36
• 3 芴乙烯衍生物的合成及表征36-48
• 3.1 前言36
• 3.2 计算模拟性质分析36-40
• 3.2.1 计算方法36
• 3.2.2 计算结果与分析36-40
• 3.3 芴乙烯衍生物的合成40-42
• 3.3.1 合成反应40-41
• 3.3.2 9,9-二丁基-2-乙烯基-芴的合成41-42
• 3.3.3 9,9-二己基-2-乙烯基-芴的合成42
• 3.4 性能分析42-47
• 3.4.1 核磁共振分析42-43
• 3.4.2 光谱吸收性能分析43-45
• 3.4.3 荧光光谱分析45-47
• 3.5 本章小结47-48
• 4 聚芴系列物的合成及表征48-68
• 4.1 前言48
• 4.2 聚芴系列物的合成48-49
• 4.2.1 丁基芴乙烯均聚物（PBF）的合成48
• 4.2.2 己基芴乙烯均聚物（PHF）的合成48-49
• 4.2.3 丁基芴乙烯与乙烯基咔唑共聚物(PBF-CaZ)的合成49
• 4.2.4 己基芴乙烯与乙烯基咔唑共聚物(PHF-CaZ)的合成49
• 4.2.5 基于 P3HT 的聚芴系列物掺杂49
• 4.3 聚芴系列物的性能分析49-66
• 4.3.1 凝胶渗透色谱法（GPC）测定聚合物的分子量49-52
• 4.3.2 核磁共振氢谱分析52-55
• 4.3.3 光谱吸收性能分析55-64
• 4.3.4 荧光光谱性能分析64-66
• 4.4 本章小结66-68
• 5 结论68-70
• 参考文献70-80
• 在学期间研究成果80-82
• 致谢82-83

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