D-A型分子材料的合成及其在有机太阳能电池中的应用

【摘要】：由于有机太阳能电池制备简单、成本低以及可大面积制造的优点，已经在太阳能电池领域引起人们越来越多的兴趣。本论文系统的概述了聚合物和有机小分子这两类被广泛研究的有机太阳能电池材料。苯并二茚类材料是由多元稠环连接而成，因此具有优良的平面性以及较高的共轭程度，因而可以作为太阳电池给体材料中的给体单元。此外,苯并噻二唑（BT）也是被公认的最为有效的电子受体单元之一。 本论文以十二烷氧基苯基取代的苯并二茚类材料（IDT）为给体单元，分别与同样具有给电子能力的三联噻吩（D）单元以及具有吸电子能力二噻吩苯并噻二唑(A)共聚，得到D-D型结构的共轭聚合物PIDT3T和D-A型结构的共轭聚合物PIDTDTBT。以此来研究这两种不同类型结构的聚合物在热稳定性、光物理、电化学以及光伏性能方面的差异，分别采用热失重分析（TGA）、紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、伏安循环（CV）等手段表征其性质。同时，本论文还将苯并二茚类材料（IDT）引入不同类型的侧链，正己基侧链（IDT-C6）和十二烷氧基侧链（IDT-OC12），并以此为核，与二联噻吩相连的苯并噻二唑偶联合成两类新型A-D-A结构的小分子BTIDT-C6和BTIDT-OC12，以此来探索侧链对分子的光物理、电化学以及光伏性能的影响。本论文通过实验得到的结论如下： 1.基于IDT单元的聚合物PIDTDTBT与聚合物PIDT3T都具有比较好的热稳定性，分解温度Td均超过了400℃。前者要比后者具有更宽的光谱吸收。此外，PIDTDTBT的HOMO和LUMO能级分别为-5.30eV和-3.70eV，PIDT3T的HOMO和LUMO能级分别为-5.35eV和-3.55eV,能级带隙分别为1.60eV和1.80eV，前者要比后者具有更窄的能级带隙。在相同的测试条件下，模拟太阳光AM1.5，100mW/cm-2照射下，聚合物PIDTDTBT的光电转换效率要比PIDT3T高很多，分别为4.52%和3.26%。 2.基于IDT单元的不同侧链的两类小分子BTIDT-C6和BTIDT-OC12在紫外吸收以及电化学方面没有太大差异。其中，BTIDT-C6的HOMO和LUMO能级分别为-5.37eV和-3.71eV，BTIDT-OC12的HOMO和LUMO能级分别为-5.34eV和-3.73eV,电化学能级带隙分别为1.66eV和1.61eV。但是后者的熔点要比前者低很多，分别是69.4℃和110.2℃。在相同的测试条件下，模拟太阳光AM1.5，100mW/cm-2照射下，BTIDT-C6的光电转换效率要比BTIDT-OC12高20%左右，分别为4.83%和4.06%。对于场效应晶体管性能方面，小分子BTIDT-C6比BTIDT-OC12具有更高的空穴迁移率，分别为5.4×10-4cm2/Vs和1.1×10-4cm2/Vs。 【关键词】：聚合物太阳能电池 有机小分子太阳能电池 苯并二茚 苯并噻二唑
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ25;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 有机太阳能电池的概述10-15
• 1.2.1 有机太阳能电池的发展历史10-11
• 1.2.2 有机太阳能电池的工作原理11-12
• 1.2.3 有机太阳能电池的器件结构12-14
• 1.2.3.1 单层器件12-13
• 1.2.3.2 双层异质结器件13
• 1.2.3.3 本体异质结器件13
• 1.2.3.4 分子 D-A 结器件13-14
• 1.2.3.5 叠层结构器件14
• 1.2.4 有机太阳能电池性能表征14-15
• 1.3 聚合物太阳能电池材料15-20
• 1.3.1 聚噻吩类给体材料15-16
• 1.3.2 聚对苯乙烯撑类给体材料16-17
• 1.3.3 聚苯并二噻吩类给体材料17-18
• 1.3.4 聚芴类给体材料18-19
• 1.3.5 聚多元并芳香环类给体材料19-20
• 1.4 有机小分子太阳能电池材料20-23
• 1.4.1 齐聚噻吩类有机小分子给体材料20-21
• 1.4.2 苯并噻二唑类有机小分子给体材料21-22
• 1.4.3 吡咯并吡咯二酮类有机小分子给体材料22-23
• 1.5 论文的研究内容及意义23-24
• 2 基于苯环基取代的苯并二茚类聚合物的合成及光伏性能的研究24-37
• 2.1 引言24
• 2.2 实验部分24-29
• 2.2.1 原料和试剂24-25
• 2.2.2 材料的表征设备与仪器25-26
• 2.2.3 聚合物太阳能电池器件的制备及测试26
• 2.2.4 单体的合成26-28
• 2.2.5 聚合物的合成28-29
• 2.3 结果与讨论29-35
• 2.3.1 单体和聚合物的合成与表征29-30
• 2.3.2 聚合物的热稳定性30-31
• 2.3.3 聚合物的光学性能31-33
• 2.3.4 聚合物的电化学性能33-34
• 2.3.5 聚合物的光伏性能34-35
• 2.4 本章小结35-37
• 3 基于苯环基取代的苯并二茚类小分子的合成及光伏性能的研究37-51
• 3.1 引言37-38
• 3.2 实验部分38-42
• 3.2.1 原料和试剂38-39
• 3.2.2 材料的表征设备与仪器39
• 3.2.3 有机小分子太阳能电池器件的制备及测试39
• 3.2.4 有机小分子场效应晶体管器件的制备及测试39-40
• 3.2.5 单体 IDT 锡盐的合成40-41
• 3.2.6 有机小分子 BTIDT-C6 和 BTIDT-OC12 的合成41-42
• 3.3 结果与讨论42-49
• 3.3.1 单体和小分子的合成与表征42-43
• 3.3.2 小分子的光学性能43-44
• 3.3.3 小分子的电化学性能44-45
• 3.3.4 小分子的光伏性能45-47
• 3.3.5 小分子的场效应晶体管性能47-49
• 3.4 本章小结49-51
• 结论51-52
• 参考文献52-55
• 致谢55-56
• 个人简历56-57

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