稠环供体构建窄带隙聚合物光伏材料及其光电性能研究

【摘要】：有机共轭聚合物半导体作为一种新颖的高分子材料,成为光电转换领域的研究热点。大量新材料因其杰出的性能而被广泛应用于有机场效应晶体管和有机太阳能电池中。与传统的无机半导体材料相比,共轭聚合物可以通过分子设计对其主、侧链化学结构进行调整和修饰,调控其电光性能和结晶性能,从而获得不同应用领域的光电材料与器件。本论文的工作主要研究集中于构建结构新颖的稠环供电子单元、开发电子推-拉结构型的窄带隙共轭聚合物,并应用于有机太阳能电池；通过考察其结构对所得共轭结构的光谱、能级排列、带隙及其电池光伏性能的影响,获得面向高效率有机太阳能电池器件的聚合物结构设计方法。 第二章我们通过噻吩桥连强吸电子单元接枝高迁移率的聚[芴-并二噻吩]主链构建二维窄带隙聚合物。通过改变不同受体单元的吸电子强度来调节主链与侧链分子内的电荷转移效应,考察结构对聚合物的带隙、能级和光伏性能的影响。首次在前聚体PF-BT-TMS上完成了Vilsmeier-Haack醛化和Knoevenagel缩合等多步关键反应的修饰。基于ITO/MoO3/PF-BTDTA:PCBM(1:3)/Al结构的器件获得了3.13%的PCE。相同器件结构的PF-BTDCN获得了2.91%。两聚合物都获得接近1V的开路电压。PF-BTDTA获得了最高的6.41mA/cm2短路电流。与我们之前设计的线性的F6T2相比,基于相同ITO/PEDOT:POSS/PF-BTDCN:PCBM/Al结构的器件PCE提高了21%。通过AFM发现,聚合物和富勒烯共混膜的活性层有明显的纳米级别的相分离。 第三章中,我们在苯并二噻吩4,8位上成功的设计和合成了可直接功能化的OTf官能团,通过键入取代基的不同结构、吸电子能力和共轭长度来考察取代基对苯并二噻吩稠环供体单元的光学带隙、电化学性质和迁移率的影响。以4,8-OTf-BDT为前体,通过钯催化下的Suzuki反应,Sonogashira反应或键合碳-硫反应,我们合成了大量功能化的苯并二噻吩稠环结构衍生物。研究发现,随着键入基团共轭变长,对应的衍生物发生明显的红移；芳香取代基的缺电性逐渐增强,对应的HOMO能级逐渐降低。绝大数的衍生物的值(-5.38eV-5.58eV)都接近理想HOMO能级的数值(-5.4eV)。我们将衍生物进行了有机场效应晶体管器件表征,获得了最高为6×10-2cm2V-1s-1的空穴迁移率。 第四章中,我们结合第三章开发的三异丙基硅乙炔基苯并二噻吩稠环供体单元,与不同电子受体单元(噻唑并[5,4-d]噻唑、二噻吩苯并二嗯唑、噻吩吡咯二酮和二噻唑并[4,5-g]喹喔啉受体)共聚得到一类性能优异的推-拉结构型的窄带隙聚合物。通过改变不同受体单元来调节供-受体之间的电荷转移效应,来考察不同受体单元对聚合物带隙和能级的影响。聚合物都拥有良好的溶解性。研究发现,随着噻吩吡咯二酮、噻唑并[5,4-d]噻唑、二噻吩苯并二嗯唑和二噻唑并[4,5-g]喹喔啉受体单元的吸电子能力增强,拓宽了聚合物的吸收光谱,调节了聚合物的能带结构。基于吸电子能力最强的二噻唑并[4,5-g]喹喔啉的聚合物具有最宽的吸收光谱,覆盖了整个可见光并延伸至近红外区域(能带为1.3eV)。HOMO能级为-5.30～-5.40eV,LUMO能级为-3.39--4.09eV。基于ITO/PEDOT:PSS/P1:PC71BM(1:1, wt%)/PFN/Al结构的器件获得了1%的PCE。PFN的添加都导致了Voc的提高。这些新颖的聚合物极大地丰富了苯并二噻吩聚合物的体系。 第五章中,我们对传统的电子供体硅杂环环戊二烯并二噻吩结构优化进行了研究,我们成功的设计和合成了4,4’-二苯基-硅杂环环戊二烯并二噻吩(DTS-Ph)稠环供体单元。通过Stille反应与噻唑并[5,4-d]噻唑交替共聚得到窄带系聚合物。我们考察了芳基与烷基取代基对主链结构的热重、光学和电化学等性能的影响。目前基于这类聚合物的太阳能电池器件检测正在进行中。研究表明,与烷基链的聚合物相比,苯基的聚合物的热重、光学和电化学等性能都有一定程度的改善。热分解温度提高了35℃；在溶液中的紫外吸收较有近40nm的红移；HOMO能级低0.14eV,我们期盼着这类基于硅杂二噻吩环戊二烯的聚合物的器件能够获得高效率的光伏性能。第六章中,我们合成了以并三噻吩稠环为供体单元与不同强度的受体单元(苯基吡咯并吡咯二酮、噻唑并[5,4-d]噻唑和噻吩吡咯二酮)共聚的聚合物(PDTT-PDPP、 PDTT-TTz和PDTT-TPD)。通过不同的吸电子单元与供体单元的共聚调节了分子内的电荷转移效应,来考察结构对聚合物的带隙、能级和光伏性能的影响。我们将聚合物进行了器件表征并考察了光伏性能。采用Suzuki-Miyaura偶联反应或环境友好无毒害的芳基化缩聚反应,我们得到推-拉结构型的窄带隙聚合物,光学带隙能级为1.75-1.87eV,三者聚合物的最强吸收区间位于300-650nm。经过初步研究后,基于PDTT-TPD:PC61BM (1:3,w/w)器件获得了0.73%的效率。 【关键词】：聚合物太阳能电池 二维聚合物 苯并二噻吩 推-拉结构型的窄带隙共轭聚合物
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TQ317
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-47
• 1.0 引言14
• 1.1 有机太阳能电池发展历史14-15
• 1.2 有机聚合物太阳能电池的结构15-16
• 1.3 有机聚合物太阳能电池原理16
• 1.4 聚合物太阳能电池的性能表征16-18
• 1.4.1 有机聚合物太阳能电池的相关参数16-18
• 1.5 聚合物太阳能电池活性层材料18-36
• 1.5.1 理想聚合物太阳能电池给体材料所需特性18-19
• 1.5.2 活性层受体材料19
• 1.5.3 活性层给体材料19-36
• 1.6 本论文的研究内容36-37
• 1.6.1 本论文的研究内容36-37
• 参考文献37-47
• 2 吸电子受体单元接枝主链的二维聚芴材料及器件47-69
• 2.1 引言47-48
• 2.2 实验部分48-55
• 2.2.1 实验药品48
• 2.2.2 材料的表征设备与仪器48-49
• 2.2.3 器件的制备49
• 2.2.4 单体和聚合物的合成49-55
• 2.3 结果与讨论55-63
• 2.3.1 聚合物的表征55-56
• 2.3.2 聚合物的热学性质56
• 2.3.3 聚合物的光学性质56-58
• 2.3.4 聚合物的电化学性质58-60
• 2.3.5 聚合物的电荷迁移性能60
• 2.3.6 聚合物的光伏性能与形貌研究60-63
• 2.4 本章小结63-64
• 参考文献64-69
• 3 苯并二噻吩稠环供体单元的构建69-89
• 3.1 引言69-70
• 3.2 实验部分70-79
• 3.2.1 原料与试剂70
• 3.2.2 材料的表征设备与仪器70-71
• 3.2.3 场效应晶体管器件制备71
• 3.2.4 单体和聚合物的合成71-79
• 3.3 结果与讨论79-84
• 3.3.1 化合物的光学性质79-81
• 3.3.2 化合物的电化学性质81-82
• 3.3.3 衍生物的TFTs的迁移率82-84
• 3.4 本章小结84
• 参考文献84-89
• 4 苯并二噻吩稠环结构为供体单元的窄带隙聚合物89-110
• 4.1 引言89
• 4.2 实验部分89-100
• 4.2.1 原料与试剂89-90
• 4.2.2 材料的表征设备与仪器90
• 4.2.3 器件的制备90-91
• 4.2.4 单体和聚合物的合成91-100
• 4.3 结果与讨论100-106
• 4.3.1 聚合物的表征100
• 4.3.2 聚合物的热学性质100-101
• 4.3.3 聚合物的光学性质101-102
• 4.3.4 聚合物的电化学性质102-104
• 4.3.5 聚合物器件的光伏性能104-106
• 4.4 本章小结106-107
• 参考文献107-110
• 5 硅杂环环戊二烯并二噻吩供体单元的窄带隙聚合物110-123
• 5.1 引言110-111
• 5.2 实验部分111-116
• 5.2.1 原料与试剂111
• 5.2.2 材料的表征设备与仪器111
• 5.2.3 单体与聚合物的合成111-116
• 5.3 结果与讨论116-120
• 5.3.1 聚合物的表征116
• 5.3.2 聚合物的热重性质116-117
• 5.3.3 聚合物的光学性质117-119
• 5.3.4 聚合物的电化学性质119-120
• 5.4 本章小结120
• 参考文献120-123
• 6 并三噻吩单元为电子供体的窄带隙聚合物123-141
• 6.1 引言123-124
• 6.2 实验部分124-129
• 6.2.1 原料与试剂124
• 6.2.2 材料的表征设备与仪器124
• 6.2.3 器件的制备124-125
• 6.2.4 单体和聚合物的合成125-129
• 6.3 结果与讨论129-136
• 6.3.1 聚合物的分子量129-130
• 6.3.2 聚合物的热学性质130
• 6.3.3 聚合物的光学性质130-131
• 6.3.4 聚合物的电化学性质131-133
• 6.3.5 聚合物制备器件的光伏性能133-136
• 6.4 本章小结136
• 参考文献136-141
• 7 结论141-143
• 8 展望143-144
• 致谢144-145
• 攻读博士学位期间发表的论文和出版著作情况145-147
• 附图147-168

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

TiO_2/SiO_2一维光子晶体的制备及其光子带隙特性    蒋礼;宋少杰;杜作娟;黄小忠;刘冀洵;

聚3-己基噻吩的合成及表征    宫玉梅;夏令明;梁青;郭静;张鸿;

基底温度对喷涂技术制备大面积有机太阳能电池性能的影响    胡雪花;李福山;吴朝兴;郭太良;

Synthesis and Photovoltaic Properties of Poly(5,6-bis(octyloxy)-4,7- di(thiophen-2-yl)benzo-[c][1,2,5]-thiadiazole-9,9-dioctylfuorene)    Liwei Wang;Feiyao Qing;Yeping Sun;Xiaoyu Li;Haiqiao Wang;

基于聚噻吩衍生物的太阳能电池研究进展    周立弟;胡小丹;王少洪;侯朝霞;王美涵;

量子点-聚合物纳米复合材料的研究进展    骆乐;向卫东;谢翠萍;钟家松;梁晓娟;邹军;吕春燕;

苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子光伏材料合成与性能研究    王丽辉;殷伦祥;张昱;李艳芹;

基于咔唑的共轭聚合物材料的合成及性能研究    秦元成;陈科信;李明俊;史少欣;谢宇;钱莉民;

含长碳链富勒烯衍生物的制备与表征    王洪晶;卢骏安;王越;张洪波;段继东;鲁捷;韩爱鸿;

Thienopyrazine or Dithiadiazatrindene Containing Low Band Gap Conjugated Polymers for Polymer Solar Cells    Mukhamed L.Keshtov;Dmitry V.Marochkin;Ying-ying Fu;Zhi-yuan Xie;耿延候;Vitaly S.Kochurov;Alexei R.Khokhlov;

聚合物异质结太阳电池-进展与展望(摘要)    曹镛;吴宏滨;黄飞;陈军武;

光谱匹配的二元供体材料设计及单层器件    唐卫华;安桥石;海杰峰;葛桂冬;俞江升;张福俊;

基于S-和N-杂环小分子材料的合成、表征    黄红艳;傅妮娜;刘书利;李劝;赵保敏;黄维;

能源纳米器件中的材料与界面研究    陈立桅;

含二甲酰亚胺官能团的窄带隙聚合物合成及其光伏特性    王力新;蔡东东;汤昌泉;陈善慈;尹志刚;郑庆东;

原位电化学聚合杂化太阳能电池光伏性能研究    路胜利;胡桂林;李国能;张邦虎;

能源纳米器件中的材料和界面研究    陈立桅;

基于硅纳米线阵列的有机/无机杂化光伏电池的制备及性能表征研究    申小娟

有机蓝色荧光材料和磷光主体材料的合成及电致发光性质研究    张婷

喷涂法制备聚合物太阳能电池器件研究    陈征

有机—无机杂化光伏电池中的界面效应及调控研究    张付特

星形齐聚噻吩衍生物的制备及其光、电性能与应用研究    关丽

吡嗪聚合物和卟啉小分子的合成及其光伏性能研究    秦红梅

基于S，S-二氧—二苯并噻吩单元共聚物的合成及光电性能    肖慧萍

界面修饰聚合物电致发光器件及其物理机制研究    汪青

一维壳核式复合半导体杂化敏化太阳能电池的研究    孙宝

含烷基三唑基团的新型共轭聚合物给体材料的设计和合成及其在太阳电池中的应用    董杨

本体异质结有机太阳能电池的数值模拟    刘伟

基于钴基电解质的三聚茚基光敏染料的研究    宗雪平

多支链含给—受体结构的共轭铂（Ⅱ）芳香炔配合物的合成及其非线性光学性质研究    黄招辉

结合活性自由基聚合和Suzuki偶联反应制备功能性聚合物    邢泽咏

新型富勒烯衍生物的合成以及在聚合物太阳能电池中的应用    杨涛

聚萘及聚芴类荧光微纳米球的制备与表征    谢俊娜

企业社会资本对创新绩效的影响研究    张良

有机小分子太阳能电池界面修饰的研究    黄俊华

PCPDTBT：ICBA聚合物太阳能电池特性研究    魏栋

基于BDT单体的共轭聚合物的合成及性能研究    孙丽丽

染料聚合物薄膜辐射光谱    林文学;刘劲松;

聚合物摩擦学的研究动向—记国际聚合物磨损及其控制讨论会    胡廷永

各向异性聚合物薄膜参数的测量与计算    王志刚,任诠,郭士义,牟晓东,张光辉,许东

光漂白对极化聚合物薄膜非线性效应的影响    张水英,王峰,杨艳芳,曹庄琪,沈启舜

聚合物薄膜厚度和极化工艺对二次谐波的影响    吕仕智,曹庄琪,王峰,沈启舜,杨艳芳

聚合物薄膜耐放电性比较(摘要)    蔡小平;高璇;李静一;

An／C_（60）－Polymer／P－Si结构C－V特性    管玉国，戴国瑞

掺杂偶氮苯聚合物薄膜光致双折射特性    陆伟,佘卫龙,张灵志

一种新型厌水性碳氟聚合物薄膜的制备    曾雪锋,岳瑞峰,吴建刚,胡欢,董良,刘理天

均匀介质阻挡放电处理提高聚合物薄膜表面亲水性的研究    方志;杨浩;解向前;

聚合物超薄膜结构松弛的分子模拟研究    汤启云;胡文兵;

聚合物薄膜物理老化中的尺度效应    贺耀龙;胡宏玖;张俊乾;李达开;朱文书;周沙叙;赵峰;

聚合物薄膜表面大面积金属纳米颗粒的均匀沉积及其应用    温建忠;谢耩;汪国平;王建波;

耐溶剂聚合物薄膜的制备及其表征    董小宁;张俊彦;卞凤玲;程锦春;

一种新型厌水性碳氟聚合物薄膜的制备    曾雪锋;岳瑞峰;吴建刚;胡欢;董良;刘理天;

层状组装聚合物薄膜的室温纳米压印    卢迎习;孙俊奇;吕男;沈家骢;

偶氮聚合物薄膜的吸收谱和二次谐波产生的温度特性    高学喜;王文军;刘云龙;

光学质量电光聚合物薄膜的制备及其电光调制性能    郝聚民;邱玲;沈玉全;杨艳芳;沈启舜;曹庄琪;韩梅娟;朱传凤;万立骏;

制备高度取向超薄聚合物薄膜的新方法    杨德才;EdwinL.Thomas;

含噻吩的共聚物有序薄膜的制备及电性能测试    卢甜;蔡雪刁;

聚合物薄膜修复破裂血管    梓桦

光通信开创真正的宽带时代    本报编辑部编译

聚合物电极材料成功应用于电容器    高飞

新型凝胶可随环境变色    记者 冯卫东

介电高弹聚合物力电行为研究与器件设计    李铁风

复杂聚合物薄膜体系的去润湿动力学研究    刘惠

聚合物能带的调控及其在光伏器件中的应用    张庆辉

聚合物光波导材料的合成、表征及应用    费旭

含磷酰胆碱功能基团聚合物的制备与生物相容性研究    李琳

聚合物—聚合物配副的摩擦学性能研究    贾彬彬

水溶性荧光聚合物的设计、合成与荧光性质研究    王宝燕

带亲水基团的有机共轭材料的合成及其对聚合物发光二极管和光伏电池的界面调控    徐晓峰

光漂白对聚合物二次谐波和热光效应的影响研究    陈开盛

抗原子氧用含磷聚芳醚和聚酰亚胺材料的制备及研究    李清明

含二噻吩稠环单元窄带隙聚合物的设计合成及光伏性能研究    曹佳民

双层聚合物薄膜的有序褶皱行为    钱维仙

极化聚合物复合薄膜的光学与电光性能的研究    高怡

以PMMA为基体的光折变聚合物的合成及成份分析    李艳红

弹性聚合物薄膜的力电大变形及失效模式分析    陈程

聚合物薄膜的受激辐射特性研究    高瑞

丙二酸二芘酯类聚合物LB膜的制备及其光刻性质    张敏

多省并醌高介电聚合物的合成与性能研究    赵波

极化聚合物的电光特性研究及其应用    李梅

极化聚合物功能薄膜的制备研究    苏万里