基于吡咯并吡咯二酮、并噻吩的有机光伏材料的合成及性能研究

【摘要】：能源一直是人类社会发展至关重要的因素。由于不断增加的能源需求以及化石能源的不可再生性,人们不得不寻找和开发新的能源。太阳能因其清洁、可再生等特点受到社会各界的广泛关注。近年来,有机太阳能电池(OPV)取得了一些可喜的进展,其中本体异质结聚合物太阳能电池(BHJ PSCs)最高能量的转换效率已经突破10%,染料敏化太阳能电池(DSSCs)最高效率达到13%。但是,其距离实现商业化应用,仍然存在着诸多困难和障碍。在此背景下,我们分别设计合成了两种基于吡咯并吡咯二酮(DPP)的主链型聚合物给体材料,以及两种有机小分子染料,并用核磁共振、飞行时间质谱等测试方法对合成的中间体以及目标产物进行了结构表征,并对目标聚合物和有机染料分子的光物理、电化学性能进行了研究。同时,我们分别制备了基于目标聚合物的BHJ PSCs以及基于目标染料的DSSCs,对其光伏性能进行了测试。本论文主要研究内容如下:1.我们以吡咯并吡咯二酮(DPP)衍生物HT-DPP分别与烷基取代的苯并二噻吩(BDTT)和1,4-二(2-噻吩基)-2,5-双(2–乙基己氧基)苯(TBT)共聚合成了两种二元共轭聚合物SP3和SP5,并测试了其光物理、电化学及光伏性能。结果表明,吡咯并吡咯环相连的两个噻吩上引入的己基,能够在一定程度上提升聚合物的溶解性,并调节活性层的形态。其中,SP3因其在固态膜上有更好的分子堆积,获得了更宽的吸收光谱,同时器件活性层具有更好的平整性和微相分离,使其太阳能电池器件具有更高的短路电流密度和填充因子。基于SP3/PC61BM的聚合物太阳能电池器件能量转换效率为3.51%大于相同器件结构的SP5的PCE(2.46%)。2.设计并合成了两种含三苯胺(TPA)和并噻吩(TT)的D-π-A型有机染料(SD1和SD2),两种染料的区别仅在于并噻吩上甲基位置的不同。通过对两种染料紫外可见吸收光谱、电化学以及光伏性能进行测试和比较,发现甲基连在靠近氰基乙酸一端的染料SD2因其更低的电子复合速率得到了更高的能量转换效率(PCE)。在AM1.5的模拟太阳光照射下,基于SD1的电池的PCE为4.02%,而SD2则获得了更高的6.00%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 吡咯并吡咯二酮 染料敏化太阳能电池 三苯胺 并噻吩
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O626;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 文献综述9-26
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 聚合物太阳能电池的研究进展10-15
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的结构10-12
• 1.2.2 BHJ聚合物太阳能电池的原理12-14
• 1.2.3 本体异质结聚合物太阳能电池的重要参数14-15
• 1.3 聚合物太阳能电池材料15-21
• 1.3.1 聚合物太阳能电池给体材料15-20
• 1.3.2 聚合物太阳能电池受体材料20-21
• 1.4 染料敏化太阳能电池的研究进展21-24
• 1.4.1 染料敏化太阳能电池的器件结构和原理21-22
• 1.4.2 DSSCs的分子设计原理22
• 1.4.3 染料敏化太阳能电池材料22-24
• 1.5 论文的设计思想和研究内容24-26
• 第2章 基于吡咯并吡咯二酮的D-A型主链聚合物的合成及光伏性能研究26-42
• 2.1 引言26-27
• 2.2 实验部分27-32
• 2.2.1 实验药品、试剂、测试条件以及方法27
• 2.2.2 单体与共聚物的合成27-32
• 2.3 结果与讨论32-40
• 2.3.1 单体和聚合物的合成与表征32-33
• 2.3.2 聚合物的热性能33
• 2.3.3 聚合物的光物理性能33-36
• 2.3.4 聚合物的电化学性能36-37
• 2.3.5 表面形貌37-38
• 2.3.6 聚合物的光伏性能38-40
• 2.4 本章小结40-42
• 第3章 基于并噻吩有机染料的合成及光伏性能研究42-57
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验部分43-49
• 3.2.1 实验药品、试剂、测试条件以及方法43
• 3.2.2 中间体与染料的合成43-49
• 3.3 结果与讨论49-55
• 3.3.1 染料合成路线分析与表征49-50
• 3.3.2 染料的光物理性能50-51
• 3.3.3 染料的电化学性能51-52
• 3.3.4 染料的光伏性能52-54
• 3.3.5 染料的电化学阻抗54-55
• 3.4 本章小结55-57
• 总结与展望57-58
• 参考文献58-64
• 致谢64-65
• 附录A 试剂、药品及其纯化方法65-67
• 附录B 仪器及测试条件和方法67-68
• 攻读硕士学位期间发表论文情况68

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