基于三氮唑的D-A型共轭聚合物的合成及光伏性能研究

【摘要】：近年来，因为低碳环保，且容易通过溶液加工过程制备出柔性轻质的太阳能电池，聚合物本体异质结太阳能电池（PSCs）因此受到了广泛关注。由于新型高性能的光伏材料的合成和器件制备工艺的优化，聚合物本体异质结太阳能电池的效率得到较大的提高，现已超过8%。然而，要实现PSCs的实际应用，仍值得深入研究。聚合物光伏材料的吸收光谱、空穴迁移率和溶解性能对PSCs器件的性能有较大影响。为了拓宽聚合物材料的吸收光谱、增强载流子传输性能，本论文设计并合成了两类基于三氮唑的共轭聚合物，采用1H NMR、13C NMR、GC-MS对其结构进行表征，并采用Uv-Vis吸收光谱、荧光光谱、循环伏安法和电流-电压曲线测试了聚合物的光物理、电化学和光伏性能。其主要内容如下： 1．设计并合成了主链含有缺电子的三氮唑衍生物的交替共聚物PT-TZ、PB-TZ和PB-TTZT。三氮唑与不同富电子结构单元聚合得到的聚合物，其光物理性能、光伏性能具有较大差别，不同富电子结构单元可有效地调节共聚物的HOMO和LUMO能级，同时，嵌入更多的噻吩单元，可有效增大共轭主链长度，拓宽聚合物的吸收光谱，因此，基于聚合物PB-TTZT的PSCs的光电转换效率明显高于另外两种聚合物，在AM1.5G太阳光条件下，基于PB-TTZT给体材料和PC61BM受体材料的PSCs器件的光电转换效率为1.18%。 2．通过Suzuki偶联反应和Stille偶联反应合成了基于芴、噻吩和BDT与含三氮唑侧链的噻吩衍生物的交替共轭聚合物PT-TZN、PF-TZN和PBDT-TZN。吸电子基团3-硝基-1,2,4-三氮唑的引入可有效的降低聚合物的能隙。然而，由于硝基的吸电子效应过强，从而形成了分子间激基缔合物，导致激子的分离效率下降，最终影响聚合物太阳能电池的光电转换效率，以PT-TZN、PF-TZN和PBDT-TZN共聚物作为电子给体，PC61BM作为电子受体，制备了聚合物本体异质结太阳能电池器件，在AM1.5G太阳光照条件下，基于聚合物PBDT-TNZ: PCBM（1：3）PSCs器件的最大效率为1.13%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 本体异质结 缺电子基团 1 2 4-三氮唑 苯并二噻吩
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O631.3
【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 聚合物太阳能电池(PSCs)的研究进展10-12
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的器件结构10-12
• 1.2.2 聚合物太阳能电池能量转换过程12
• 1.3 聚合物太阳能电池材料的设计与特点12-14
• 1.3.1 能隙（Eg），HOMO 和-LUMO 能级的要求12-13
• 1.3.2 能隙（Eg）调控13-14
• 1.3.3 溶解性14
• 1.3.4 聚合物太阳能电池材料的合成14
• 1.4 聚合物太阳能电池（PSCS）的重要参数14-15
• 1.5 聚合物太阳能电池 (PSCS)材料15-21
• 1.5.1 聚噻吩衍生物15-16
• 1.5.2 聚对苯撑乙烯 PPVs 及聚苯撑乙炔衍生物 PAEs16-17
• 1.5.3 稠环芳烃类聚合物17-20
• 1.5.4 低能系共轭聚合物20-21
• 1.6 本论文的设计思想和主要研究内容21-23
• 第2章 基于 1,2,4-三氮唑的主链型 D-A 共轭聚合物的合成及光伏性能的研究23-35
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验部分24-29
• 2.2.1 仪器、试剂及测试条件及方法24
• 2.2.2 单体和聚合物的合成24-29
• 2.3 结果与讨论29-34
• 2.3.1 单体和聚合物的合成及其结构表征29-30
• 2.3.2 聚合物的热性能30
• 2.3.3 聚合物的光物理性质30-32
• 2.3.4 聚合物的电化学性质32-33
• 2.3.5 聚合物的光伏性质33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 基于 1,2,4-三氮唑的侧链型 D-A 共轭聚合物的合成及光伏性能研究35-50
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验部分36-42
• 3.2.1 药品、试剂、测试条件及方法36
• 3.2.2 单体及聚合物的合成，单体 M3 与 M4 的合成步骤见第二章36-42
• 3.3 结果与讨论42-49
• 3.3.1 单体及聚合物的合成和结构表征42-43
• 3.3.2 聚合物的热性能43-44
• 3.3.3 聚合物的光物理性能44-45
• 3.3.4 聚合物的电化学性能45-46
• 3.3.5 聚合物的光伏性能46-49
• 3.4 本章小节49-50
• 总结与展望50-51
• 参考文献51-56
• 致谢56-57
• 附录 A 试剂、药品及其纯化方法57-59
• 附录 B 仪器及测试条件和方法59-60
• 攻读硕士学位期间发表论文情况60

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