芘功能化二嵌段共轭聚合物的协同组装及其在有机太阳能电池中的研究

【摘要】：近年来，有机太阳能电池因其质量轻、柔性强、成本低的特点受到了广泛的关注。但其器件光电转换率低，性能不稳定制约了其在商业化上的发展。为了提高有机太阳能电池的光电转换效率和稳定性，可从两个方面进行，一是设计合成新的给体和受体材料以调控活性层的形貌，另一个就是对器件结构进行进一步的优化，如界面层等。针对以上两个方面，本文合成具有相同基团的给体和受体材料以及高导电性的复合材料，分别对活性层形貌进行调控和对器件性能进行优化。主要内容如下： 本文首先证明了一个非常简易的形成稳定和有序BHJ纳米形貌的方法。文章中成功合成了新颖的芘(Py)-功能化二嵌段共聚物聚3-己基噻吩-b-聚3-(10-(1-芘)癸氧基)噻吩(P3HT-b-P3TPy)和芘(Py)-功能化富勒烯衍生物[6，6]-苯基-C61-丁酸芘酯(PCBPy)。功能化富勒烯和P3TPy段之间Py基团相互交叉堆叠的π-π作用可以使P3HT-b-P3TPy与PCBPy进行协同组装，并且Py基团的定向作用也可以提高分子的排例。与常态和热处理相比，溶剂退火中膜的缓慢生长可以促进P3HT-b-P3TPy:PCBPy的协同组装。值得注意的是，微观结构的组装很大程度上取决于聚噻吩链间的相互作用与Py基团相互作用之间的竞争。共聚物中P3TPy段比例低时，共混物的形貌与P3HT：PCBM的相类似。然而，Py基团的量达到一定程度时则趋向于P3HT-b-P3TPy和PCBPy分子间的π-π相互堆叠作用。因此，P3HT-b-P3TPy(3/1)和PCBPy在异质结界面处形成了有序的纳米线结构，其区域大小约为10-20nm，这刚好可以扩大给受体界面面积和提供电子-空穴传输双连续通道以利于电荷的有效传输。此外，P3HT-b-P3TPy和PCBPy间协同组装可有效地抑制PCBPy的相分离，从而提高共混物形貌的稳定性。 然后，重新合成了二嵌段聚合物聚3-己基噻吩-b-聚3-(10-(1-芘)癸氧基)噻吩(P3HT-b-P3TPy)，通过其芘基团与单壁碳纳米管的π-π堆叠作用使聚合物负载在碳纳米管上，从而分散得到了复合材料SWNTs/P3HT-b-P3TPy。该复合材料具有很好的电荷传输性能，预计可在正向体相异质结太阳能电池替代LiF作为电子传输层，也可在反向器件中修饰ZnO的缺陷并提高其电子的传导率，最终提高器件的光电转换效率。 【关键词】：聚合物太阳能电池 二嵌段共轭聚合物 芘 协同组装 π-π堆叠 单壁碳纳米管
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O633.5;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-30
• 1.1 引言9
• 1.2 有机太阳能电池9-13
• 1.2.1 有机太阳能电池的工作原理9-11
• 1.2.2 有机太阳能电池的结构11-12
• 1.2.3 有机太阳能电池的性能参数12-13
• 1.3 聚合物太阳能电池中常见高效的共轭聚合物13-22
• 1.3.1 聚芴(PF)及其衍生物14-15
• 1.3.2 聚咔唑(PC)及其衍生物15-17
• 1.3.3 苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩类(BDT)共聚物17-19
• 1.3.4 液晶共轭聚合物19-20
• 1.3.5 嵌段共聚物20-22
• 1.4 D-A 共轭聚合物中常见高效的缺电子基团22-24
• 1.4.1 2,1,3-苯并噻二唑(BT)22-23
• 1.4.2 二酮吡咯并吡咯(DPP)23
• 1.4.3 苯并吡嗪23-24
• 1.5 体相异质结太阳能电池活性层的分子设计及其形貌调控24-28
• 1.6 本课题提出的意义和研究内容28-30
• 第2章 芘-功能化给/受体共混物通过分子间非共价π-π相互作用协同组装成稳定有序的纳米形貌30-50
• 2.1 引言30-31
• 2.2 实验部分31-36
• 2.2.1 实验药品31-32
• 2.2.2 实验仪器及设备32-33
• 2.2.3 材料的合成33-36
• 2.3 结果与讨论36-48
• 2.3.1 结构表征36-39
• 2.3.2 光学性能39-43
• 2.3.3 X 射线衍射43-45
• 2.3.4 组装形貌45-48
• 2.3.5 稳定性48
• 2.4 本章小结48-50
• 第3章 通过芘功能化二嵌段共轭聚合物分散的单壁碳纳米管作为电子缓冲层在有机太阳能电池中的研究50-59
• 3.1 引言50-51
• 3.2 实验部分51-54
• 3.2.1 实验药品51-52
• 3.2.2 实验仪器及设备52-53
• 3.2.3 器件的制备及性能表征53-54
• 3.2.4 材料的合成54
• 3.3 结果与讨论54-58
• 3.3.1 结构表征54-56
• 3.3.2 反向器件的性能56-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第4章 结论与展望59-61
• 4.1 结论59-60
• 4.2 展望60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-72
• 攻读学位期间的研究成果72

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