用于太阳能电池的窄带隙共轭聚合物的合成与性能研究

论文摘要

近年来,共轭聚合物太阳能电池由于具有低成本、重量轻、易于溶液加工、适于制作大面积柔性器件等优点,而受到学术界和产业界的广泛关注。经过近几年不断的努力,聚合物太阳能电池领域的研究已取得了很大的进展,但是要在市场上大规模的应用,聚合物太阳能电池的寿命、稳定性和能量转换效率等方面还有待大幅度的提高。作为共轭聚合物太阳能电池的电子给体材料,要求在可见光区具有宽光谱和强吸收、高空穴迁移率、良好的溶解性能和易于加工性能、好的成膜性和热稳定性等。因而合成出能带宽更窄,光谱响应与太阳能辐射更匹配,电荷载流子迁移率更高的新型窄带隙共轭聚合物材料,对提高聚合物太阳能电池的能量转换效率有着重要意义。本论文的主要工作是合成了三个系列的窄带隙共轭聚合物,并对其结构和光电性能进行了表征和研究。在第三章中,通过Suzuki偶合反应,合成了分别基于2,8-双（4′,4′,5′,5′-四甲基-1′,3′,2′-二氧杂戊硼烷-2-基）-6,6′,12,12′-四辛基茚芴（IFB）,5,7-二（5-溴（2-噻吩基））噻并[3,4-b]吡嗪（DBrDTP）、2,3-二甲基-5,7-二（5-溴（2-噻吩基））噻并[3,4-b]吡嗪（DBrDTTP）、2,3-二苯基-5,7-二（5-溴（2-噻吩基））噻并[3,4-b]吡嗪（DBrDPTP）和2,3-二辛基-5,7-二（5-溴（2-噻吩基））噻并[3,4-b]吡嗪（DBrDOTP）的窄带隙共轭聚合物PIF-DTP、PIF-DTTP、PIF-DPTP和PIF-DOTP。共聚物的光学带宽（Eg）在1.61-1.78 eV之间,得到的共聚物具有较高的分子量和良好的溶解性以及热稳定性,易溶于常用的有机溶剂如氯仿、甲苯、四氢呋喃等,加工成膜性好。通过紫外光照射下的光稳定性实验说明了在噻吩并[3,4-b]吡嗪环的2,3-位不引入官能团或引入烷基都会使其光稳定性下降甚至完全被淬灭,而在噻并[3,4-b]吡嗪环的2,3-位引入芳香性基团可以增加该类聚合物的光稳定性,说明了共聚物PIF-DPTP可以实现有机光伏太阳能电池中D-A窄带隙共轭聚合物的电子给体材料。在第四章中,通过钯催化下的Suzuki偶合反应在单模微波合成仪中合成了基于5,7-双（4-辛基噻吩-2-基）-噻并[3,4-b]噻二唑（DDTT）单元和2,7-二溴-9,9-二辛基芴（F）、N-9′-十七烷基-2,7-二溴咔唑（CZ）、6,6′,12,12′-四辛基茚芴（IF）、5,11-二（9-十七碳烷）吲哚[3,2-b]咔唑（ICZ）单元的窄带隙交替共轭聚合物,分别命名为PF-DDTT、PCZ-DDTT、PIF-DDTT和PICZ-DDTT。所得到的共聚物具有良好的溶解性,易溶于常用的有机溶剂如氯仿、甲苯、四氢呋喃等,加工成膜性好;共聚物的吸收带边延伸至880 nm左右,与近地太阳光谱匹配性较好,在有机太阳能光伏电池的电子给体材料的应用方面有很大的发展前景,基于该类材料光伏器件的性能正在测试当中。在第五章中,通过Suzuki偶合反应,合成了基于3,9-双（4′,4′,5′,5′-四甲基-1′,3′,2′-二氧杂戊硼烷-2′-基）-5,11-二（9′-十七碳烷）吲哚[3,2-b]咔唑（ICZB）,4,7-二（5-溴-噻吩-2-基）-2,1,3-苯并硒二唑（DBrDSeBT）和4,7-二（5-溴-噻并[3,2-b]噻吩-2-基）-2,1,3-苯并硒二唑（DBrDTSeBT）的窄带共轭聚合物PICZ-DSeBT和PICZ-DTSeBT,在固体薄膜中光学带宽Eg分别为1.66 eV和1.59 eV。两种共聚物在邻二氯苯溶液中的最大发射峰分别为712 nm和760 nm,而在固体薄膜中,最大发射峰红移至755 nm和790 nm处。在模拟太阳光照AM 1.5（100 mW/cm2）下,两种共聚物/PC61BM （1:2）共混膜的光伏器件的能量转换效率（PCE）分别为1.06%和1.52%,开路电压（Voc）分别为0.75 V和0.70 V,短路电流密度（Jsc）分别为3.34 mA/cm2和5.30 mA/cm2,填充因子（FF）均为0.41,光电流响应波长带边分别为760 nm和800 nm。表明PICZ-DSeBT和PICZ-DTSeBT是一种可用于共轭聚合物太阳能电池材料的电子给体材料。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物太阳能电池
• 1.2.1 聚合物太阳能电池重要发展历史
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的工作原理
• 1.2.3 聚合物太阳能电池器件的结构
• 1.2.4 聚合物太阳能电池器件的性能参数
• 1.3 聚合物太阳能电池材料
• 1.3.1 电子给体材料
• 1.3.2 电子受体材料
• 1.4 主要聚合方法
• 3 催化缩合反应'>1.4.1 FeC1₃催化缩合反应
• 1.4.2 Pd 催化缩合反应
• 1.4.3 Ni 催化缩合反应（Yamamoto 偶合反应）
• 1.4.4 Wessling 反应
• 1.4.5 Wittig 反应
• 1.5 本研究课题的来源
• 1.6 本论文的主要研究内容及创新性
• 1.6.1 论文的主要研究内容
• 1.6.2 本论文的创新之处
• 第二章 聚合物太阳能电池器件的制备与性能测试
• 2.1 聚合物太阳能电池器件的制备
• 2.1.1 ITO 基片的标记与清洗
• 2.1.2 阳极缓冲层的旋涂
• 2.1.3 聚合物/PCBM 共混层的制备
• 2.1.4 金属电极的蒸镀
• 2.1.5 包封
• 2.2 聚合物太阳能电池器件I-V 曲线的测定
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于茚芴基窄带隙共轭聚合物的合成与光稳定性能的研究
• 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 单体及共聚物的合成与表征
• 3.3.2 共聚物的吸收和发光特性
• 3.3.3 共聚物的电化学特性
• 3.3.4 共聚物的热重分析
• 3.3.5 窄带隙单体和共聚物的光稳定性研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 用于太阳能电池的新型芳杂环主链结构的窄带隙共轭聚合物的合成与性能的研究
• 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 单体及共聚物的合成与表征
• 4.3.2 共聚物的吸收特性
• 4.3.3 共聚物的电化学特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于吲哚咔唑基窄带隙共轭聚合物的合成与光电性能的研究
• 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 单体及共聚物的合成与表征
• 5.3.2 共聚物的吸收和发光特性
• 5.3.3 共聚物的电化学特性
• 5.3.4 共聚物的热重分析
• 61BM 共混膜器件的光伏特性'>5.3.5 共聚物/PC₆₁BM 共混膜器件的光伏特性
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢