含三苯胺、噻吩的有机光伏材料的设计合成及其性质研究

【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/TiO_2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/TiO_2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/TiO_2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。 【关键词】：聚合物太阳能电池 染料敏化太阳能电池 噻吩 三苯胺 光伏性能
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：O621.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 有机太阳能电池研究进展13-49
• 1.1 引言13-15
• 1.2 有机太阳能电池的结构和工作原理15-20
• 1.2.1 有机太阳能电池的器件结构15-17
• 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17-20
• 1.3 有机太阳能电池的性能参数20-22
• 1.3.1 开路电压(V_(oc))20
• 1.3.2 短路电流(I_(sc))20
• 1.3.3 最大输出电流(I_(max))和最大输出电压(V_(max))20-21
• 1.3.4 最大输出功率(P_(max))21
• 1.3.5 填充因子(FF)21
• 1.3.6 能量转换效率(Power conversion efficiency,PCE,η)21
• 1.3.7 入射光子-电子转化效率(IPCE)21
• 1.3.8 有机太阳能电池的输出特性21-22
• 1.4 共轭聚合物太阳能电池(PSCs)22-34
• 1.4.1 共轭聚合物太阳能电池给体材料22-32
• 1.4.2 共轭聚合物太阳能电池受体材料32-34
• 1.5 染料敏化太阳能电池(DSSCs)34-47
• 1.5.1 DSSCs的染料光敏化剂34-44
• 1.5.2 DSSCs中TiO_2电极材料44-46
• 1.5.3 DSSCs中的电解质46-47
• 1.5.4 DSSCs中的对电极47
• 1.6 论文的设计思想与主要研究内容47-49
• 1.6.1 论文的设计思想47-48
• 1.6.2 论文的主要研究内容48-49
• 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49-67
• 2.1 引言49-50
• 2.2 实验部分50-55
• 2.2.1 试剂、药品及测试条件和方法50
• 2.2.2 单体和共聚物的合成50-54
• 2.2.3 聚合物/PCBM本体异质结太阳能电池的制备54-55
• 2.3 结果与讨论55-66
• 2.3.1 单体和共聚物的合成及结构表征55-58
• 2.3.2 共聚物的热性能58-59
• 2.3.3 共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱59-62
• 2.3.4 共聚物的电化学性质62-64
• 2.3.5 共聚物的光伏性质64-66
• 2.4 本章小结66-67
• 第3章 侧链含噻吩的PPV类二元共聚物的合成与性质研究67-89
• 3.1 引言67-68
• 3.2 实验部分68-75
• 3.2.1 试剂、药品及测试条件和方法68
• 3.2.2 单体和共聚物的合成68-74
• 3.2.3 聚合物/TiO_2染料敏化太阳能电池的器件制备74-75
• 3.2.4 聚合物/TiO_2染料敏化太阳能电池光伏性能的测试75
• 3.3 结果与讨论75-87
• 3.3.1 单体和共聚物的合成及结构表征75-80
• 3.3.2 共聚物的热性能80-81
• 3.3.3 共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱81-84
• 3.3.4 共聚物的电化学性质84-85
• 3.3.5 共聚物的光伏性质85-87
• 3.4 本章小结87-89
• 第4章 侧链含噻吩的PPV类三元共聚物的合成与性质研究89-103
• 4.1 引言89
• 4.2 实验部分89-91
• 4.2.1 试剂、药品及测试条件和方法89-90
• 4.2.2 单体和共聚物的合成90-91
• 4.2.3 共聚物染料敏化太阳能电池的器件的制备91
• 4.2.4 共聚物染料敏化太阳能电池光伏性能的测试91
• 4.3 结果与讨论91-101
• 4.3.1 单体和共聚物的合成及结构表征91-95
• 4.3.2 三元共聚物的热性能95-96
• 4.3.3 三元共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱96-99
• 4.3.4 三元共聚物的电化学性质99-100
• 4.3.5 三元共聚物的光伏性质100-101
• 4.4 本章小结101-103
• 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103-115
• 5.1 引言103
• 5.2 实验部分103-105
• 5.2.1 试剂、药品及测试条件和方法103-104
• 5.2.2 三元共聚物的合成104
• 5.2.3 共聚物染料敏化太阳能电池的器件的制备104
• 5.2.4 共聚物染料敏化太阳能电池光伏性能的测试104-105
• 5.3 结果与讨论105-114
• 5.3.1 单体和共聚物的合成及结构表征105-107
• 5.3.2 三元共聚物的热性能107-108
• 5.3.3 三元共聚物的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱108-111
• 5.3.4 三元共聚物的电化学性质111-112
• 5.3.5 三元共聚物的光伏性质112-114
• 5.4 本章小结114-115
• 第6章 己基噻吩官能化的三苯胺染料的合成与性质研究115-147
• 6.1 引言115-116
• 6.2 实验部分116-126
• 6.2.1 试剂、药品及纯化方法116
• 6.2.2 中间体和目标染料的合成116-125
• 6.2.3 染料的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测试125
• 6.2.4 染料的电化学性能测试125
• 6.2.5 染料敏化太阳能电池器件的制备125-126
• 6.2.6 染料敏化太阳能电池光伏性能的测试126
• 6.3 结果与讨论126-146
• 6.3.1 合成路线的选择126-127
• 6.3.2 中间体及目标染料的合成和结构表征127-135
• 6.3.3 染料的光物理性质135-138
• 6.3.4 染料的电化学性质138-141
• 6.3.5 染料的光伏性质141-145
• 6.3.6 染料分子结构的计算分析145-146
• 6.4 本章小结146-147
• 总结与展望147-149
• 参考文献149-161
• 致谢161-163
• 附录A 试剂、药品及其纯化方法163-166
• 附录B 仪器及测试条件和方法166-167
• 攻读博士学位期间发表论文情况167

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