含氰基的新型D-A共轭聚合物在聚合物太阳能电池中的应用

【摘要】：作为一种非常有潜力的可再生能源，体异质结型（Bulk Heterojunction, BHJ）聚合物太阳能电池（Polymer Solar Cell, PSC）近年来受到了广泛关注。然而，直至现在，器件的能量转换效率（PCE）仍然是制约聚合物太阳能电池市场化应用的最大因素之一。众所周知，由PCE的计算公式可知，PCE正比于聚合物太阳能电池的开路电压（Voc），短路电流（Jsc）和填充因子（FF）。所以一个理想的聚合物应该具有较宽的吸收光谱来得到较高的Jsc，相对较深的最高占据轨道（HOMO）来得到较高的Voc以及较高的迁移率和较好的平面性来得到较高的FF。此外，聚合物的分子量和活性层的微观形貌也应进行优化。由于可以通过调整给电子能力不同的给体单元和吸电子能力不同的受体单元来增强聚合物分子内的电荷转移（ICT），因此窄带隙D A共轭聚合物被广泛地研究。为了获得较高的Voc、Jsc和FF，研究人员做出许多改变，包括通过修饰优化共轭聚合物的分子结构来调整其器件的光电性能，从而提高其光伏性能。 1）我们设计合成了四个窄带隙聚合物，通过钯催化的Stille交叉偶联反应得到POP、POT、PTP和PTT，它们由不同取代基取代的BDT给体单元和包含不同π桥的BCNV受体单元组成。当苯基π桥被噻吩基π桥替换后，与POP和PTP相比，POT和PTT具有更宽的吸收光谱和更小的光学带隙。由于氰基（CN）吸电子基团的引入和BDT给体单元的选择，四个聚合物都具有较深的HOMO能级，能级位于5.48eV和5.37eV之间，从而在聚合物太阳能电池中获得较大的Voc。对四个聚合物系统的表征显示出这些聚合物具有明显的缺点，如较差的分子平面性、聚合物本身的缺陷或杂质和由BCNV造成的高激子复合率，而这些缺点导致聚合物的效率很低。 2）为了深入探讨引入的CN基团数目对聚合物性能的影响，我们设计合成了三个聚合物，POT–DH、POT–HCN和POT–DCN，它们包含相同的给体单元BDT和带有不同数目CN基团的受体单元，所含CN基团的数目对应聚合物分别为0、1和2。我们首次系统地研究了引入的CN基团的数目对聚合物的光电性能、分子排列、微观形貌和光伏性能的影响。随着引入CN基团数目的增加，聚合物具有更宽的吸收光谱、更小的光学带隙和更深的HOMO能级。而聚合物的分子平面性也随着CN基团数目的增加而变差，从而导致聚合物更差的分子排列和微观形貌。两个CN基团的引入造成了最差的微观形貌、无效的电荷转移和非常低的器件性能。引入了一个CN基团的POT HCN具有最高的效率4.21%。因此，我们相信，通过控制引入的CN基团的数目，我们能够很好地调整这个系列聚合物的分子的平面性和LUMO/HOMO能级，从而得到理想的光电性能、良好的微观形貌和较高的光伏性能。这也为我们提供了一个思路，就是通过调整引入的吸电子基团的数目来优化聚合物的分子结构和器件效率。 【关键词】：氰基 苯唑二噻吩 共轭聚合物 聚合物太阳能电池
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O631.3;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 引言10
• 1.2 聚合物太阳能电池的研究进展10-12
• 1.3 聚合物太阳能电池的器件结构与工作机理12-13
• 1.4 聚合物太阳能电池的性能参数13-14
• 1.5 高性能共轭聚合物分子结构的设计要求14-16
• 1.6 参考文献16-18
• 第二章 含双氰基及不同π桥的新型DA共轭聚合物的设计，合成及光伏性能研究18-39
• 2.1 引言18-19
• 2.2 实验部分19-24
• 2.2.1 实验原料与试剂19-20
• 2.2.2 仪器表征及器件制备20-22
• 2.2.3 单体及聚合物的合成22-24
• 2.3 结果与讨论24-33
• 2.3.1 聚合物的热稳定性24-25
• 2.3.2 聚合物的光物理与电化学性质25-28
• 2.3.3 聚合物分子结构的模拟计算28-29
• 2.3.4 聚合物的光伏性能29-30
• 2.3.5 聚合物的空穴迁移率及薄膜的微观形貌30-31
• 2.3.6 聚合物的光致发光与光致吸收谱31-33
• 2.4 本章小结33
• 2.5 参考文献33-39
• 第三章 氰基数目对DA聚合物的分子结构平面性，薄膜微观形貌及光伏性能的影响39-67
• 3.1 引言39-40
• 3.2 实验部分40-47
• 3.2.1 实验原料与试剂40-41
• 3.2.2 仪器表征及器件制备41-43
• 3.2.3 单体及聚合物的合成43-47
• 3.3 结果与讨论47-59
• 3.3.1 聚合物的热稳定性47-48
• 3.3.2 聚合物的光物理与电化学性质48-50
• 3.3.3 聚合物分子结构的模拟计算50-51
• 3.3.4 聚合物分子的排列及平面性研究51-52
• 3.3.5 聚合物的光伏性能及空穴迁移率52-56
• 3.3.6 聚合物薄膜的微观形貌56-58
• 3.3.7 超快电荷转移研究58-59
• 3.4 本章小结59-60
• 3.5 参考文献60-67
• 第四章 全文总结及展望67-69
• 4.1 总结67-68
• 4.2 展望68-69
• 攻读学位期间发表的论文69-70
• 附录70-72
• 致谢72-74

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

具有D-A结构的噻吩和苯并噻二唑共聚物的光伏器件研究    赵光金;何有军;何畅;李永舫;

基于噻唑并噻唑与二噻吩并噻咯的D-A共聚物的合成与光伏性能表征    张茂杰;国霞;李永舫;

拉电子基团封端的噻吩-萘二酰亚胺D-A结构有机小分子半导体材料    樊宏宇;狄重安;高希珂;李洪祥;刘云圻;朱道本;

D-A型单分散共轭液晶齐聚物及其组装结构    耿延候;卜腊菊;曲建飞;谢志元;闫东航;王佛松;

强双光子吸收的D-A共轭高分子    史钦钦;黄学斌;朱春莉;陈伟强;段宣明;占肖卫;

D-A型电双稳态高分子功能材料的设计及其非易失性存储效应    张斌

基于D-A-π-A型纯有机太阳能电池敏化染料设计、合成及光伏性能研究    吴永真

基于新型受体单元的D-A共聚物的合成和光伏性能    王坤

基于噻吩基团的D-A结构电致变色材料的合成及性能    胡彬

D-A-π-A结构芳胺类染料的合成及其性能研究    应伟江

扭曲结构D-A分子的设计、合成及激发态性质研究    李维军

D-A型噻吩聚合物的设计，合成及性质表征    程卫东

含氰基的新型D-A共轭聚合物在聚合物太阳能电池中的应用    陆佳灵

基于四噻吩乙烯的新型树枝状化合物与D-A化合物的制备研究    吴天景

基于二噻吩并[2，3-b：3'，2'-d]噻吩的“螺旋桨”型螺烯基胺及D-A化合物的合成    张永青

基于咔唑并二噻二唑和二噻吩硅杂环戊二烯的D-A共轭聚合物有机太阳能电池分子设计    蔡淑娇

硫脲双功能团催化剂催化D-A反应研究及海洋天然产物Serinolamide A(3)全合成    张转香

基于三氮唑的D-A型共轭聚合物的合成及光伏性能研究    李新炜

基于D-A-π-A结构的有机芳胺染料敏化剂的合成及其性能研究    王丹

具有D-A结构的有机聚合物光伏材料的合成及在光伏领域中的应用    李娜

D-A环合芳构化法合成4-氯代苯酐的研究    孙一飞