基于吡啶并噻二唑的聚合物光伏材料的合成及性能研究

【摘要】：作为第三代太阳能电池的主力军之一，聚合物太阳能电池(PSCs)已经成为全世界科学家研究的重点，并在最近几年取得了令人瞩目的进展。目前，虽然文献报道的PSCs的光电转换效率(PCE)已达到了10.6%，但是这距离商业化应用还有一定距离。为了能使聚合物具有更匹配可见光区域的光谱吸收，较低的HOMO能级，以及较高的空穴迁移率，最终达到提高PCE的目的，我们设计并且合成了一系列基于PyT(吡啶并噻二唑)的聚合物，同时，为了对比，我们还合成了具有类似结构的基于BT(苯并噻二唑)的聚合物，并利用红外、质谱及核磁等对其结构进行了表征。同时，我们还测试了聚合物的紫外-可见光谱、荧光光谱、循环伏安谱图等，详细研究了聚合物的结构与其光电性质、电化学性质。 1、以含烷氧基的苯并二噻吩(BDT)和含噻吩烷基的苯并二噻吩(BDTT)作为推电子结构单元，通过乙烯双键将二噻吩并吡啶并噻二唑(DTPyT)拉电子结构单元引入侧链，设计并合成了两种侧链型聚合物PBDT-T-DTPyT和PBDTT-T-DTPyT。同时，为了探讨吡啶并噻二唑(PyT)单元在主、侧链不同位置对聚合物光伏性能的影响，我们还合成了一种DTPyT拉电子结构单元在主链的聚合物PBDT-DTPyT。三种聚合物均具有较好的溶解性和成膜性。研究结果表明，主链型聚合物PBDT-DTPyT比相应的侧链型聚合物PBDT-T-DTPyT和PBDTT-T-DTPyT的吸收光谱分别红移了110nm和73nm，这说明主链型聚合物PBDT-DTPyT比侧链型PBDT-T-DTPyT和PBDTT-T-DTPyT具有着更强的分子内电荷转移(ICT)相互作用。尽管这三种聚合物的HOMO能级均低于-5.2eV，但是其PSCs的开路电压(Voc)却均低于0.62V，这大大低于理论开路电压，这是因为聚合物中的吡啶并噻二唑单元(作为路易斯碱)与空穴提取层中的聚苯乙烯磺酸盐(PSS，作为路易斯酸)的相互作用，导致光敏活性层和空穴提取层之间形成了非欧姆接触，故开路电压较低。因此基于PBDTT-T-DTPyT的反向PSC器件(未采用PEDOT：PSS作为空穴提取层)的开路电压Voc远远高于正向的PSC器件。相比于其它两种聚合物，聚合物PBDTT-T-DTPyT表现相对较好的光伏性能，在正向和反向PSC器件中的PCE分别为1.68%和2.08%。 2、以BDTT作为推电子结构单元，设计并合成了两种基于PyT与BT拉电子结构单元的侧链型聚合物PBDTT-T-DTPyT和PBDTT-T-DTBT，以及PyT拉电子结构单元在主链的聚合物PBDTT-DTPyT。研究结果表明，侧链型聚合物PBDTT-T-DTPyT的吸收光谱要比PBDTT-T-DTBT的红移22nm，且前者的能隙更低，这是因为吡啶并噻二唑的极性和缺电子程度比苯并噻二唑的大，从而有利于增强聚合物的π-π堆积效应和分子内电荷转移，故基于PBDTT-T-DTPyT的PSC具有更高的Jsc和PCE。尽管主链型聚合物PBDTT-DTPyT的吸收光谱比侧链型聚合物PBDTT-T-DTPyT的要宽并且红移91nm，但其PSC的Jsc和PCE要比后者低很多，这是因为PBDTT-DTPyT的空穴迁移率比后者低500倍。 【关键词】：聚合物太阳能电池 侧链型共轭聚合物 吡啶并噻二唑 苯并二噻吩衍生物 反向器件
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 文献综述10-24
• 1.1 研究背景10
• 1.2 PSCs 的研究进展10-12
• 1.2.1 PSCs 的工作原理10-11
• 1.2.2 PSCs 的器件结构11-12
• 1.3 PSCs 的重要参数12-15
• 1.4 PSCs 材料15-23
• 1.4.1 PPVs(聚对苯乙烯撑衍生物)类材料15
• 1.4.2 PThs(聚噻吩)类材料15-16
• 1.4.3 低能隙 D-A 型聚合物材料16-23
• 1.5 本论文的设计思想及研究内容23-24
• 第2章 主、侧链含吡啶并噻二唑的共轭聚合物的合成及性能研究24-46
• 2.1 引言24-25
• 2.2 实验部分25-37
• 2.2.1 测试的方法、条件及试剂25
• 2.2.2 单体和最终聚合物的合成25-37
• 2.3 结果与讨论37-45
• 2.3.1 单体及最终聚合物的合成与结构表征37-38
• 2.3.2 聚合物的热性能38-39
• 2.3.3 聚合物的光物理性能39-40
• 2.3.4 聚合物的电化学性能40-42
• 2.3.5 聚合物的光伏性能42-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第3章 含吡啶并噻二唑、苯并噻二唑以及苯并二噻吩衍生物的共轭聚合物的合成及性能研究46-63
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验部分47-56
• 3.2.1 测试的方法、条件及试剂47
• 3.2.2 单体和最终聚合物的合成47-56
• 3.3 结果与讨论56-62
• 3.3.1 单体及最终聚合物的合成与结构表征56
• 3.3.2 聚合物的热性能56-57
• 3.3.3 聚合物的光物理性能57-59
• 3.3.4 聚合物的电化学性能59-60
• 3.3.5 聚合物的光伏性能60-62
• 3.4 本章小结62-63
• 总结与展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 附录A 所有试剂及其纯化处理方法70-73
• 附录 B 所有仪器的测试条件及方法73-74
• 攻读硕士期间发表的论文情况74

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