低能带隙共轭高分子作为聚合物太阳能电池材料的合成与研究

论文摘要

本论文首先采用电子给体-受体交替共聚的策略,选择3,4-乙撑二氧噻吩（EDOT）为电子给体单元,1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺（NBI）的衍生物为电子受体单元,选用Stille偶联聚合的方法,设计并成功合成出了低能带隙的交替共聚高分子P1。其中,成功合成了重要单体2,5-二（三丁基锡）-3,4-乙撑二氧噻吩（2）并解决了其难以提纯的问题,完成了1,4,5,8-萘四甲酸二酐（NBA）的溴化和酰胺化反应,以及两个单体的Stille偶联聚合反应,最后得到了分子量适中的目标共聚物P1;成功合成出了单体2-三丁基锡-3,4-乙撑二氧噻吩（1）,并实现了其与电子受体单元的偶联反应,得到三聚体bis-EDOT-NBI;利用1H NMR、13C NMR、质谱和元素分析对中间体、单体、三聚体及共聚物P1的结构做了表征,证明得到了目标化合物,并且纯度较高。紫外吸收光谱显示三聚体bis-EDOT-NBI在540 nm有最大吸收峰,通过吸收起始位置估算其光学能带隙为1.99 eV。对共聚物P1的热学性能、光学性能和电学性能做了表征,TGA测试显示其热分解温度Td为440℃,显示该材料具有良好的热稳定性;溶液紫外吸收光谱显示其在400到750 nm之间有较大吸收,由其固体紫外吸收起始位置估算其光学能带隙为1.75 eV,属于低能带隙范畴;循环伏安曲线得到其电子亲和势EA （LUMO能级）值为3.90 eV,离子势Ip （HOMO能级）值为5.65 eV,均为同类聚合物中较高者。由共聚物较低的光学能带隙和较宽泛的光谱吸收推断其在太阳能电池材料以及其他光电器件中具有很大的应用前景。本论文第二部分在上一步工作的基础上,成功合成出重要单体2,5-二溴-3,4-乙撑二氧噻吩（6）并使其参与共聚,用Stille偶联聚合的方法制备出了无规共聚高分子P2。并利用1H NMR、13C NMR和元素分析对其结构进行了表征,证明得到的目标共聚物产物P2纯度很高,用GPC分析了其分子量。对无规共聚物P2的热学性能、光学性能和电学性能做了表征。其热分解温度Td为420℃,显示该材料具有良好的热稳定性;溶液紫外吸收光谱显示其在500到900 nm之间有较大吸收,由其固体薄膜紫外吸收起始位置估算其光学能带隙为1.38 eV,属于低能带隙范畴;循环伏安曲线得到其电子亲和势EA （LUMO能级）值为3.84 eV,离子势Ip （HOMO能级）值为5.22 eV,均为同类聚合物中较高者。由共聚物较低的光学能带隙和较宽泛的光谱吸收推测其在太阳能电池材料以及其他光电器件中具有很大的应用前景。此外,用试验验证了单体（6）固态聚合的现象,得到了蓝黑色导电高分子聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 聚合物太阳能电池的研究历史
• 1.3 有机太阳能电池器件
• 1.3.1 有机太阳能电池材料
• 1.3.2 太阳能电池器件的制备工艺
• 1.3.3 有机太阳能电池器件的结构
• 1.4 低能带隙聚合物分类
• 1.4.1 聚噻吩类
• 1.4.2 聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）
• 1.4.3 聚异苯并噻吩（PITN）
• 1.4.4 基于苯并噻吩ITN 的共聚物
• 1.4.5 基于苯并噻二唑、吡咯和噻吩的共聚物，PTPTB
• 1.4.6 基于噻吩、苯并噻二唑或者苯并二（噻二唑）的共聚物
• 1.4.7 基于噻吩并吡嗪的共聚物，PTP
• 1.4.8 基于聚芴的共聚物
• 1.5 本论文的主要工作和创新
• 第二章 3,4-乙撑二氧噻吩和萘四甲酸二酰亚胺的交替共聚共轭高分子的合成及光学性能、电学性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 目标化合物的制备和表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 合成与表征
• 2.3.2 热性能
• 2.3.3 光学性能
• 2.3.4 电学性能
• 2.4 结论
• 第三章 3,4-乙撑二氧噻吩和萘四甲酸二酰亚胺的无规共聚共轭高分子的合成及光学性能、电学性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 目标化合物的制备和表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 合成与表征
• 3.3.2 热性能
• 3.3.3 光学性能
• 3.3.4 电学性能
• 3.4 结论
• 第四章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书