基于噻吩衍生物和苯并噻二唑单元的有机光伏材料的合成及其性能研究

【摘要】：本论文介绍了有机太阳能电池的研究现状及典型的有机太阳能电池给体材料的发展。有机太阳能电池给体材料的吸收光谱与太阳光谱的匹配程度,材料的电子能级、载流子迁移率和溶解性是影响有机光伏材料光伏性能的主要因素,为进一步研究给体材料的分子结构与光伏性能的关系,本文设计合成了两类基于喹喔啉(Q)单元、苯并噻二唑(BT)单元和多噻吩单元的聚合物以及一类基于三苯胺(TPA)单元和BT单元的星型有机小分子光伏材料。通过1H NMR,13C NMR,TOF-MS等表征了这些供体材料的分子结构;通过紫外-可见吸收(UV-vis)、热失重分析(TGA)、示差扫描量热法(DSC)和循环伏安(CV)等方法研究了这些给体材料的光物理、热稳定性和电化学性能及其体异质结光伏器件性能。研究结果如下:1.设计合成了一类基于喹喔啉(Q)单元的新型聚合物光伏材料(PBT-TTQ-F与PBT-TTQ-H)。对比了两类聚合物材料的性能差异发现:在聚合物中引入氟原子以后,聚合物的紫外-可见吸收光谱发生明显红移,聚合物太阳能电池(PSCs)的光伏性能明显改善。在相同器件结构时,基于含氟聚合物PBT-TTQ-F的PSCs器件的能量转换效率(PCE)为3.05%,该PCE值是无氟聚合物PBT-TTQ-H的PSCs器件的1.7倍。2.以苯并噻二唑(BT)为吸电子(A)单元,3,6-二(4,5-二辛基-2-噻吩基)-并二噻吩(TT-Th2)为供电子(D)单元,设计合成了主链含不同数量噻吩单元的二维D-A聚合物光伏材料(Th2TT-BT-Th2和Th2TT-BT-Th4),其中聚合物Th2TT-BT-Th2和Th2TT-BT-Th4在D和A两单元间分别桥联了1个和2个噻吩单元。研究发现:在主链D和A两单元间增加噻吩个数,可以增加聚合物的共轭程度,拓宽材料的吸收光谱,提高PSCs器件的Jsc和PCE值。聚合物Th2TT-BT-Th4在PSCs器件中PCE为3.34%,该PCE值为聚合物Th2TT-BT-Th2光伏器件PCE值的2.1倍。3.以三苯胺(TPA)为核,咔唑(Cz)为末端D单元、苯并噻二唑(BT)为手臂A单元,设计合成了系列星型小分子有机光伏材料。系统地研究了末端咔唑的连接方式以及噻吩桥的位置对小分子光伏材料性能的影响。研究结果表明:基于3-咔唑末端单元的小分子TPA(BT-3Cz)3器件的光伏性能明显优于基于2-咔唑末端单元的小分TPA(BT-2Cz)3。其中,TPA(BT-3Cz)3类有机太阳能电池(OSCs)器件的最高PCE达到3.94%。当在TPA(BT-3Cz)3不同位置中引入噻吩桥时,发现噻吩桥靠近3-咔唑单元的分子TPA(BT-T-3Cz)3的光伏性能明显优于噻吩桥靠近三苯胺单元的小分子TPA(T-BT-3Cz)3的光伏性能。基于TPA(BT-T-3Cz)3器件的PCE值高达5.07%,为基于三苯胺星型小分子光伏器件的最高值之一。 【关键词】：有机太阳能电池 窄带隙聚合物 星型小分子 光伏性能 给体材料
【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】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-29
• 1.1 引言10-12
• 1.2 有机太阳能电池的工作原理及其性能参数12-13
• 1.3 有机太阳能电池器件结构13-15
• 1.3.1 正式太阳能电池14-15
• 1.3.2 反式太阳能电池15
• 1.3.3 叠层太阳能电池15
• 1.4 有机聚合物太阳能电池给体材料15-21
• 1.4.1 基于噻吩衍生物的D-A型聚合物给体材料16-18
• 1.4.2 基于苯并噻二唑单元的D-A型聚合物给体材料18-19
• 1.4.3 基于喹喔啉单元的D-A型聚合物给体材料19-21
• 1.5 有机小分子太阳能电池给体材料21-28
• 1.5.1 线型小分子给体材料22-24
• 1.5.2 星型小分子给体材料24-28
• 1.6 论文的设计思想与主要研究内容28-29
• 1.6.1 论文的设计思想28
• 1.6.2 论文的主要研究内容28-29
• 第2章 基于喹喔啉和噻吩衍生物单元的有机聚合物光伏材料的设计合成及其性能研究29-40
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验部分30-34
• 2.2.1 实验所用原料与试剂30
• 2.2.2 实验仪器与测试条件和方法30-31
• 2.2.3 实验合成路线31-32
• 2.2.4 实验步骤32-34
• 2.3 结果与讨论34-39
• 2.3.1 中间体和目标产物的合成及结构表征34
• 2.3.2 聚合物PBT-TTQ-H与PBT-TTQ-F的热稳定性能34-35
• 2.3.3 聚合物PBT-TTQ-H与PBT-TTQ-F的紫外-可见吸收光谱35-36
• 2.3.4 聚合物PBT-TTQ-H与PBT-TTQ-F的电化学性能36-37
• 2.3.5 聚合物PBT-TTQ-H与PBT-TTQ-F的光伏性能37-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 基于苯并噻二唑与多噻吩单元的二维共轭聚合物光伏材料的设计合成及性能研究40-50
• 3.1 引言40
• 3.2 实验部分40-44
• 3.2.1 实验所用原料与试剂40
• 3.2.2 实验仪器与测试条件和方法40-41
• 3.2.3 实验合成路线41
• 3.2.4 实验步骤41-44
• 3.3 结果与讨论44-49
• 3.3.1 中间体和目标产物的合成及结构表征44-45
• 3.3.2 聚合物Th_2TT-BT-Th_2与Th_2TT-BT-Th_4的溶解性与热稳定性能45-46
• 3.3.3 聚合物Th_2TT-BT-Th_2与Th_2TT-BT-Th_4的紫外-可见吸收光谱46-47
• 3.3.4 聚合物Th_2TT-BT-Th_2与Th_2TT-BT-Th_4的电化学性能47
• 3.3.5 聚合物Th_2TT-BT-Th_2与Th_2TT-BT-Th_4的光伏性能47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 基于三苯胺和苯并噻二唑单元的星型有机小分子光伏材料的设计合成及性能研究50-65
• 4.1 引言50
• 4.2 实验部分50-57
• 4.2.1 实验所用原料与试剂50-51
• 4.2.2 测试仪器与测试条件和方法51
• 4.2.3 实验合成路线51-53
• 4.2.4 实验步骤53-57
• 4.3 结果与讨论57-64
• 4.3.1 中间体和目标产物的合成及结构表征57-58
• 4.3.2 D(A-Ar)_3 星型有机小分子的热稳定性能58
• 4.3.3 D(A-Ar)_3 星型有机小分子的密度泛函理论计算58-60
• 4.3.4 D(A-Ar)_3 星型有机小分子的紫外-可见吸收光谱60-61
• 4.3.5 D(A-Ar)_3 星型有机小分子的电化学性能61-62
• 4.3.6 D(A-Ar)_3 星型有机小分子的光伏性能62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 总结与展望65-66
• 参考文献66-74
• 致谢74-75
• 在学期间发表的学术论文75-76
• 附录A目标分子的核磁氢谱图76-86
• 附录B目标分子的核磁碳谱图86-89
• 附录C目标分子的飞行时间质谱图89-91

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