基于侧链异靛和吩噻嗪的有机光伏材料的合成及性能研究

【摘要】：随着化石能源的锐减和环境问题的凸显,人们迫切地需要寻找和开发新的清洁可再生能源。这时,相对于传统的硅电池材料,有机光伏材料(OPV)以其独特的优势开始受到广泛关注,它具有低成本和对环境友好的特点,并且其核心竞争优势在于易加工性,使得低成本的制造工艺有望成为可能。近十多年来,随着无数研究工作者的不懈努力和器件结构的持续发展,OPV材料的能量转换效率(PCE)逐年攀升,预示其广阔的发展前景。但OPV材料的PCE值仍远远不及传统的硅电池材料,所以,我们需要努力研制出更高效的OPV材料。基于此,我们设计并合成了两类OPV材料,并使用核磁共振谱、气质联用、飞行质谱等对这些新合成的化合物进行了结构表征,并深入地研究了这些OPV材料的光物理和电化学特性以及其光伏性能。主要研究如下:1.基于新的二噻吩联苯(TBT)单元和侧链异靛单元及引入的噻吩π桥,设计并合成了两个新的侧链型的共轭聚合物PTBT-TID和PTBT-TTID,并将其应用到PSCs中。聚合物PTBT-TID和PTBT-TTID都具有良好的溶解性和较好的热稳定性,且基于两个聚合物的光伏器件都得到了较高的开路电压Voc,均在0.8 V左右。基于聚合物PTBT-TID的光伏器件得到了比PTBT-TTID高的PCE值(2.0%)。2.设计并合成了三个基于吩噻嗪单元的新型染料DX1、DX2和DX3,并将它们应用在染料敏化电池(DSSCs)中。其中,基于染料DX1的DSSC器件获得了5.69%的PCE值。当引入缺电子的苯并噻二唑单元到染料分子DX2和DX3中时,它们的吸收光谱被拓宽,但是基于DX2和DX3器件的短路电流却减小了,因为电荷传输受到阻碍。因此,基于染料DX2的DSSC器件只获得了3.43%的效率。另外,将具有高的给电子能力的三苯胺单元引入染料DX3的吩噻嗪给体部分的氮原子上时,增加了电子的注入效率并减少了染料聚集。因此,基于染料DX3的DSSC器件的短路电流提高了,因而获得了比DX2更高的PCE值(4.41%)。 【关键词】：聚合物太阳能电池 侧链异靛 染料敏化太阳能电池 吩噻嗪 苯并噻二唑
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 文献综述9-23
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 PSCs材料的研究进展10-17
• 1.2.1 PSCs的工作原理和性能参数10-11
• 1.2.2 PSCs的器件结构11-13
• 1.2.3 PSCs的活性层材料13-17
• 1.3 DSSCs的研究进展17-22
• 1.3.1 DSSCs的器件结构和工作原理17-18
• 1.3.2 染料敏化剂所应具备的特性18-19
• 1.3.3 染料敏化剂的研究现状19-22
• 1.4 论文的设计思想和研究内容22-23
• 第2章 基于侧链异靛的聚合物太阳能电池材料的制备及其性能研究23-37
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验部分24-30
• 2.2.1 试剂和测试方法24
• 2.2.2 单体和目标聚合物的合成路线24-30
• 2.3 结果与讨论30-36
• 2.3.1 单体及目标聚合物的合成和结构表征30-31
• 2.3.2 聚合物的热性能31
• 2.3.3 聚合物的光物理性能31-33
• 2.3.4 聚合物的电化学性能33-34
• 2.3.5 聚合物活性层的表面形貌34
• 2.3.6 聚合物的空穴迁移率34-35
• 2.3.7 聚合物的光伏性能35-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第3章 基于吩噻嗪的染料敏化电池材料的制备及其性能研究37-61
• 3.1 引言37-38
• 3.2 实验部分38-51
• 3.2.1 试剂和测试方法38
• 3.2.2 单体和目标染料的合成路线38-51
• 3.3 结果与讨论51-59
• 3.3.1 单体及染料的合成和结构表征51-52
• 3.3.2 染料的光物理性能52-53
• 3.3.3 染料的电化学性能53-55
• 3.3.4 密度泛函理论 (DFT) 计算55-56
• 3.3.5 染料的光伏性能56-58
• 3.3.6 染料的阻抗性能研究58-59
• 3.4 本章小结59-61
• 总结与展望61-62
• 参考文献62-72
• 致谢72-73
• 附录A 试剂、药品及其纯化方法73-75
• 附录B 仪器及测试条件和方法75-76
• 攻读硕士学位期间发表论文情况76

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