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多骈芳环基窄带隙共轭聚合物的合成及光电性能研究

2020-12-08阅读(933)

多骈芳环基窄带隙共轭聚合物的合成及光电性能研究

论文摘要

近年来,由于共轭聚合物在太阳能电池领域有着潜在的用途而受到广泛的关注和研究。.虽然共轭聚合物太阳能电池具有大面积、柔软、低成本等优点,但要在市场上大规模的应用,聚合物太阳能电池的稳定性和光电转换效率等方面还有待大幅度的提高。而提高聚合物材料与近地太阳光谱匹配性和电子给体相的迁移率是提高聚合物太阳能电池光电转换效率的两个主要途径。由于吲哚[3,2-b]咔唑和茚芴基聚合物具有良好的热和化学稳定性、P型传输性能以及良好的光谱吸收,且吲哚[3,2-b]咔唑和茚芴单元具有较大的刚性和共轭内联苯单元,可通过多种方法引入较长的烷基链,从而提高聚合物在有机溶剂中的溶解性,得到可溶液加工的聚合物。另一方面,利用窄带隙单元与烷基取代的吲哚[3,2-b]咔唑和茚芴单元形成共聚物,所得到的聚合物不但具有窄带隙单元较好的与近地太阳光谱匹配的性能,而且基于吲哚[3,2-b]咔唑和茚芴单元中较大的刚性和共轭内联苯单元的作用,可提高聚合物分子内聚合单元的Packing作用,对微细结构层的形成以及电子给体相迁移率的提高是很有利的,从而有望得到与太阳光谱匹配和光电转换效率较高的太阳能电池材料。此外,宽光谱响应的窄带隙聚合物在光探测器方面也有着广泛的研究和应用。因此,本论文的工作就是以此作为出发点和研究重点的。在第三章中,采用Suzuki偶合反应合成了5,11-二（9-十七碳烷）吲哚[3,2-b]咔唑和4,7-二（噻并[3,2-b]噻吩-2-基）-2,1,3-苯并噻二唑的窄带隙交替共轭聚合物PICZ-DTBT（Eg=1.83eV）,所得聚合物具有较高的分子量和较为良好的溶解性及成膜性。共聚物在邻二氯苯溶液和固体薄膜中,光致发光（PL）发射峰分别为650nm和690nm。最高占有分子轨道（HOMO）和最低未占有分子轨道（LUMO）值分别为-5.18eV和-3.35eV。在模拟太阳光照AM 1.5（80mW/cm2）下,基于PICZ-DTBT:PC71)BM（1:2）共混膜光伏器件ITO/PEDOT:PSS/PICZ-DTBT:PC71BM/Ba/Al的光电转换效率（PCE）为2.62%,开路电压（Voc）为0.75V,短路电流（Isc）为7.87mA/cm2,填充因子（FF）为0.42。用PFN层代替Ba层形成PFN/Al复合阴极时,基于PICZ-DTBT:PC71BM（1:2）共混膜的光伏器件ITO/PEDOT:PSS/PICZ-DTBT:PC71BM/PFN/A1的光电转换效率增为3.1%,开路电压为0.9V,短路电流为6.24mA/cm2,填充因子为0.44。在第四章中,采用Suzuki偶合反应成功合成了6,6’,12,12’-四辛基茚芴分别与4,7-二（2,2’-二噻吩-5-基）-2,1,3-苯并噻二唑（DDBT）和4,7-二（噻并[3,2-b]噻吩-2-基）-2,1,3-苯并噻二唑（DTBT）的窄带隙共聚物PIFDDBT和PIFDTBT,并对其进行了光电性能研究。结果表明,这两种聚合物都具有良好的溶解性和热稳定性。在氯仿溶液和固体薄膜中,共聚物PIF-DDBT的PL发射峰分别为700nm和720nm；共聚物PIF-DTBT的PL发射峰分别为680nm和710nm。共聚物PIF-DDBT的HOMO和LUMO值分别为-5.5eV和-3.7eV,而共聚物PIF-DTBT的HOMO和LUMO值分别为-5.48eV和-3.71eV。在模拟太阳光照AM 1.5 （80mW·cm-2）下,基于PIF-DDBT:PC61BM（1:4）共混膜的光伏器件ITO/PEDOT:PSS/PIF-DDBT:PC61BM/Ba/Al的光电转换效率（PCE）为1.54%,开路电压（Voc）为0.85V,短路电流（Isc）为3.13mA/cm2,填充因子（FF）为0.44。而基于PIF-DTBT:PC61BM（1:4）共混膜的光伏器件ITO/PEDOT:PSS/PIF-DTBT:PC61BM/Ba/Al的光电转换效率为1.77%,开路电压为0.88V,短路电流为3.03mA/cm2,填充因子为0.50。第五章中,在美国C. Brite公司的资助下,将2006年Xia et al.在Appl.Phys.Lett报道的聚合物PDDTT-C10的聚合反应进行优化,使聚合物的分子量提高了2-3倍（6500g/mol提高到12000～19000g/mol）。并与美国C. Brite公司、华南理工大学曹镛院士、美国加州大学圣巴巴拉分校的2000年诺贝尔奖得主Alan.Heeger教授研究小组合作,制备出了基于PDDTT-C10:PC61BM的宽光谱响应（300-1450nm）、高探测率（室温下高于1012cm·Hz1/2/W）的聚合物光探测器件。同时,对聚合物PDDTT-C10结构中噻吩上的柔性烷基链进行了优化,将PDDTT-C10中噻吩上的烷基量从C10增长为C12,不但得到了分子量较大的聚合物,而且提高了其溶解性,光谱吸收带边也红移到了1700nm。而基于该聚合物的器件正在表征当中。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 聚合物太阳能电池
  • 1.2.1 聚合物太阳能电池工作原理
  • 1.2.2 聚合物太阳能电池器件的性能参数
  • 1.2.3 聚合物太阳能电池器件的结构
  • 1.3 主要聚合方法
  • 3催化缩合反应'>1.3.1 FeCl3催化缩合反应
  • 1.3.2 Pd催化缩合反应
  • 1.3.3 Ni催化缩合反应（Yamamoto偶合反应）
  • 1.3.4 Wessling反应
  • 1.3.5 Wittig反应
  • 1.4 聚合物太阳能电池材料
  • 1.4.1 电子给体材料
  • 1.4.2 电子受体材料
  • 1.5 聚合物太阳能电池的国内外研究进展
  • 1.6 聚合物光探测器的发展概况
  • 1.7 研究课题的提出及来源
  • 1.8 主要内容及创新性
  • 1.8.1 论文的研究内容
  • 1.8.2 论文的创新之处
  • 2 聚合物光电器件的制备与性能测试
  • 2.1 聚合物发光器件的制备与性能测试
  • 2.1.1 聚合物发光器件的制备
  • 2.1.2 聚合物发光器件的电化学特性、发光效率的测试
  • 2.2 聚合物光伏器件的制备与性能测试
  • 2.2.1 聚合物光伏器件的制备
  • 2.2.2 聚合物光伏器件的性能测试
  • 2.3 本章小结
  • 3 用于太阳能电池的吲哚[3,2-b]咔唑基窄带隙交替共轭聚合物的合成及性能研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 原料与试剂
  • 3.2.2 表征设备与仪器
  • 3.2.3 单体及聚合物的合成
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 单体和聚合物的合成与表征
  • 3.3.2 共聚物PICZ-DTBT的紫外-可见光吸收特性
  • 3.3.3 共聚物PICZ-DTBT的光致发光性能
  • 3.3.4 共聚物PICZ-DTBT的热重分析（TGA）
  • 3.3.5 共聚物PICZ-DTBT的电化学特性
  • 71BM（1:2和1:3）共混膜器件的光伏特性'>3.3.6 PICZ-DTBT:PC71BM（1:2和1:3）共混膜器件的光伏特性
  • 3.4 本章小结
  • 4 用于太阳能电池的茚芴基窄带隙共轭聚合物的合成及性能研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验部分
  • 4.2.1 原料与试剂
  • 4.2.2 表征设备与仪器
  • 4.2.3 单体及聚合物的合成
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 单体和聚合物的合成与表征
  • 4.3.2 共聚物在氯仿溶液和固体薄膜中的紫外-可见吸收特性
  • 61BM混合薄膜的光致发光性能'>4.3.3 共聚物在氯仿溶液、固体薄膜及聚合物/PC61BM混合薄膜的光致发光性能
  • 4.3.4 共聚物PIF-DDBT和PIF-DTBT的热重分析（TGA）
  • 4.3.5 共聚物PIF-DDBT和PIF-DTBT的电化学特性
  • 61BM（1:4）共混膜器件的光伏特性'>4.3.6 共聚物/PC61BM（1:4）共混膜器件的光伏特性
  • 4.4 本章小结
  • 5 用于光探测器的窄带隙共轭聚合物PDDTT-C10的优化及性能研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验部分
  • 5.2.1 原料与试剂
  • 5.2.2 表征设备与仪器
  • 5.2.3 单体及聚合物的合成
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 聚合物PDDTT-C10的紫外-可见吸收特性
  • 5.3.2 基于聚合物PDDTT-C10光探测器件的外量子效率和探测率的测定
  • 5.3.3 基于聚合物PDDTT-C10光探测器件的线性动态响应测试
  • 5.3.4 聚合物PDDTT-C12的紫外-可见吸收光谱
  • 5.4 本章小结
  • 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间研究成果

    • 相关论文文献

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