含三苯胺、噻吩的有机光伏材料的设计合成及其性质研究

论文摘要

本论文对有机太阳能电池材料和器件的研究进展进行了较系统的综述。重点介绍了共轭聚合物太阳能电池电子给体材料和染料光敏化剂在有机太阳能电池中的新研究进展。太阳能电池中电子给体材料的吸收光谱、空穴迁移率和溶解性是影响其能量转换效率的关键因素,因此本论文以拓宽和增强给体材料的吸收光谱、提高其空穴迁移率为出发点,设计并合成系列新型侧链型共轭聚合物光伏材料和系列给体-连接桥-受体（D-π-A）型有机小分子染料。利用红外光谱、核磁共振和元素分析等手段对所合成的化合物的结构进行了表征,并利用紫外光谱、荧光光谱、循环伏安法研究了所合成的聚合物和有机小分子染料的光物理性质和电化学性质,同时测试了以合成的聚合物和有机小分子染料组装成的太阳能电池的能量转换效率。主要的研究内容如下:1.设计并合成了两个以聚对苯撑乙烯（PPV）为主链、三苯胺为侧基的二元共轭聚合物P1和P2,考察了三苯胺侧基对共聚物的热稳定性、光物理、电化学和光伏性质的影响。结果表明具有3Dπ-π堆积结构三苯胺侧基的引入对拓宽聚合物的吸收光谱、改善空穴迁移率和提高共聚物光伏性能方面有重要的作用。基于P1和P2的聚合物/PCBM本体异质结太阳能电池的能量转化效率分别为0.27%和0.45%,它们分别是不含三苯胺侧基的共聚物P0（0.09%）的3倍和5倍。2.设计并合成了三个以PPV为主链、单（双）噻吩为侧链的二元共轭聚合物P3、P4和P5,并研究了噻吩侧链对共聚物的热稳定性、光物理、电化学和光伏性质产生的影响。结果表明噻吩侧链的引入在提高共聚物的热稳定性、拓宽共聚物的吸收光谱、降低能隙、改善其溶解性和光伏性能方面有较明显的作用。同时研究了共聚物/TiO2构成的染料敏化太阳能电池的光伏性能,基于共聚物P3～P5光伏电池的能量转化效率分别1.66%、1.05%和2.56%。3.针对二元共聚物P4在溶解性、吸收光谱等方面的不足,通过引入含烷氧基的二醛单体Monomer 5,设计并合成了P4-BO系列三个新的三元共轭聚合物P4-BO20、P4-BO30和P4-BO40。研究结果表明,Monomer 5的引入可以提高三元共聚物的热稳定性、拓宽其吸收光谱、降低共聚物的能隙和增大短路电流。研究了基于三元共聚物/TiO2染料敏化太阳能电池的光伏性能,结果表明该系列三元共聚物中,当Monomer 5的含量达到44%时得到的三元共聚物P4-BO20有最高的能量转换效率为1.76%。4.针对二元共聚物P5在吸收光谱和空穴迁移率等方面的不足,通过掺入含三苯胺的二醛单体Monomer 1,设计并合成了P5-TPA系列三个新的三元共轭聚合物P5-TPA20、P5-TPA25和P5-TPA30。研究结果表明,Monomer 1的掺入可以进一步拓宽P5-TPA系列三元共聚物的吸收光谱、改善共聚物的空穴注入、电荷传输和光伏性能。基于三元共聚物/TiO2染料敏化太阳能电池的光伏性能测试结果表明,在P5-TPA系列中,当Monomer 1的含量达到52%时得到的三元共聚物P5-TPA25有最高的能量转换效率为2.74%。5.设计并合成了一系列以三苯胺为电子给体、不同长度的低聚噻吩为π-共轭体系、氰基乙酸为电子受体和锚定基团的D-π-A型有机小分子染料SD1～SD5,其中SD2、SD4和SD5三个以己基取代的低聚噻吩为π-共轭体系的染料是未见文献报道的新染料。系统地研究了己基取代和不同的π-共轭链长度对染料的光物理、电化学和光伏性质的影响。结果表明,适当长度的π-共轭链和规整的烷基取代对提高材料的光伏性能至关重要。通过优化太阳能电池器件的制备条件,基于SD2的染料敏化太阳能电池（DSSCs）以无水乙醇为溶剂时,获得了6.22%的能量转换效率,达到了同样条件下钌染料N719能量转换效率（7.07%）的88%,这表明SD2有望成为染料敏化太阳能电池中一类新型高效廉价的有机染料敏化剂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 有机太阳能电池研究进展
• 1.1 引言
• 1.2 有机太阳能电池的结构和工作原理
• 1.2.1 有机太阳能电池的器件结构
• 1.2.2 有机太阳能电池的工作原理和影响能量转换效率的因素
• 1.3 有机太阳能电池的性能参数
• oc)'>1.3.1 开路电压(V_oc)
• sc)'>1.3.2 短路电流(I_sc)
• max)和最大输出电压(V_max)'>1.3.3 最大输出电流(I_max)和最大输出电压(V_max)
• max)'>1.3.4 最大输出功率(P_max)
• 1.3.5 填充因子（FF）
• 1.3.6 能量转换效率（Power conversion efficiency,PCE,η）
• 1.3.7 入射光子-电子转化效率（IPCE）
• 1.3.8 有机太阳能电池的输出特性
• 1.4 共轭聚合物太阳能电池（PSCs）
• 1.4.1 共轭聚合物太阳能电池给体材料
• 1.4.2 共轭聚合物太阳能电池受体材料
• 1.5 染料敏化太阳能电池（DSSCs）
• 1.5.1 DSSCs的染料光敏化剂
• 2电极材料'>1.5.2 DSSCs中TiO₂电极材料
• 1.5.3 DSSCs中的电解质
• 1.5.4 DSSCs中的对电极
• 1.6 论文的设计思想与主要研究内容
• 1.6.1 论文的设计思想
• 1.6.2 论文的主要研究内容
• 第2章 含三苯胺侧基的PPV类二元共聚物的合成与性质研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂、药品及测试条件和方法
• 2.2.2 单体和共聚物的合成
• 2.2.3 聚合物/PCBM本体异质结太阳能电池的制备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 单体和共聚物的合成及结构表征
• 2.3.2 共聚物的热性能
• 2.3.3 共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱
• 2.3.4 共聚物的电化学性质
• 2.3.5 共聚物的光伏性质
• 2.4 本章小结
• 第3章 侧链含噻吩的PPV类二元共聚物的合成与性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂、药品及测试条件和方法
• 3.2.2 单体和共聚物的合成
• 2染料敏化太阳能电池的器件制备'>3.2.3 聚合物/TiO₂染料敏化太阳能电池的器件制备
• 2染料敏化太阳能电池光伏性能的测试'>3.2.4 聚合物/TiO₂染料敏化太阳能电池光伏性能的测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 单体和共聚物的合成及结构表征
• 3.3.2 共聚物的热性能
• 3.3.3 共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱
• 3.3.4 共聚物的电化学性质
• 3.3.5 共聚物的光伏性质
• 3.4 本章小结
• 第4章 侧链含噻吩的PPV类三元共聚物的合成与性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂、药品及测试条件和方法
• 4.2.2 单体和共聚物的合成
• 4.2.3 共聚物染料敏化太阳能电池的器件的制备
• 4.2.4 共聚物染料敏化太阳能电池光伏性能的测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 单体和共聚物的合成及结构表征
• 4.3.2 三元共聚物的热性能
• 4.3.3 三元共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱
• 4.3.4 三元共聚物的电化学性质
• 4.3.5 三元共聚物的光伏性质
• 4.4 本章小结
• 第5章 侧链含三苯胺和噻吩的PPV类三元共聚物的合成与性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂、药品及测试条件和方法
• 5.2.2 三元共聚物的合成
• 5.2.3 共聚物染料敏化太阳能电池的器件的制备
• 5.2.4 共聚物染料敏化太阳能电池光伏性能的测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 单体和共聚物的合成及结构表征
• 5.3.2 三元共聚物的热性能
• 5.3.3 三元共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱
• 5.3.4 三元共聚物的电化学性质
• 5.3.5 三元共聚物的光伏性质
• 5.4 本章小结
• 第6章 己基噻吩官能化的三苯胺染料的合成与性质研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂、药品及纯化方法
• 6.2.2 中间体和目标染料的合成
• 6.2.3 染料的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测试
• 6.2.4 染料的电化学性能测试
• 6.2.5 染料敏化太阳能电池器件的制备
• 6.2.6 染料敏化太阳能电池光伏性能的测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 合成路线的选择
• 6.3.2 中间体及目标染料的合成和结构表征
• 6.3.3 染料的光物理性质
• 6.3.4 染料的电化学性质
• 6.3.5 染料的光伏性质
• 6.3.6 染料分子结构的计算分析
• 6.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 试剂、药品及其纯化方法
• 附录B 仪器及测试条件和方法
• 攻读博士学位期间发表论文情况