氟代苯并噻二唑类、苯并二吡咯二酮类D-A聚合物的设计合成与光伏性能研究

【摘要】：摘要：本论文基于D-A共轭聚合物光伏材料进行设计与合成,及其在聚合物太阳能电池器件方面的应用方面展开了以下几个方面的研究： (1)分别将烷氧基苯并二噻吩锡化物(BDT)与烷氧基苯并二呋喃锡化物(BDF)作为电子给体,以5-氟-2,1,3-苯并噻二唑为电子受体单元,通过Stille偶联首次合成了聚合物——PBDTFBT与PBDFFBT,合成的聚合物采用TGA、GPC、UV和循环伏安法测试其性能。在常见溶剂中,PBDTFBT和PBDFFBT表现出良好的溶解性能和成膜性能,分别将这两个聚合物材料与PC71BM共混,溶于邻二氯苯,制备器件,测试器件性能。制备了聚合物:PC71BM为1：1,1：2,1：3三个质量比的电池器件,制备了标准结构的电池器件ITO/PEDOT:PSS/polymer: PC7,BM/Ca/Al,在AM1.5G,100mW/cm2光照下,PBDFFBT:PC71BM=1：3时获得最佳效率为3.3%,PBDTFBT:PC71BM=1:2时获得4.0%的最佳的电池转换效率。 (2)以氟代苯并噻二唑(FBT)作为给电子单元和烷氧苯基取代的苯并二噻吩锡化物(BDTPO)为受电子单元,通过Stille偶联合成了一个新的D-A型共轭聚合物(PBDTPO-FBT)。所得聚合物采用TGA、GPC、UV和循环伏安法测试其性能。PBDTPO-FBT具有良好的热力学稳定性能,在质量损失为5%时候的温度高达410℃,在300—800nm的波长区间里,具有极强极宽的吸收,光学带隙为1.53eV。通过循环伏安的测试得到的HOMO与LUMO能级依次为-5.43eV、-3.72eV。采用SCLC法测试PBDTPO-FBT的空穴迁移率为3.8×10-3cm2/(Vs)。在优化电池器件的过程中,我们通过采用在邻二氯苯溶剂中添加3%的1,8-二碘辛烷,从而获得最佳的PCE,其值为2.70%,开路电压Voc为0.70V,短路电流Jsc为7.23mA/cm2,填充因子FF为47.08%。 (3)合成了一个以苯并二吡咯二酮为电子受体结构,以苯并二噻吩为电子给体结构共聚形成命名为PBDPDPBDT的新的窄带系聚合物。此聚合物易溶于一般有机溶剂,具有从300-700nm的吸收光谱,其吸收边带位于755nm,计算得到其光学该系为1.6eV。将PBDPDPBDT与PC61BM按照不同质量比共混,制备标准器件,在标准太阳光条件照射下,其中PBDPDPBDT:PC61BM=1:3时获得0.16%的最好转换效率。 【关键词】：氟代苯并噻二唑 苯并二吡咯二酮 聚合物太阳能电池 光伏性能
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O633.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 文献综述10-26
• 1.1 前言10-11
• 1.2 聚合物太阳能电池简介11-14
• 1.2.1 聚合物太阳能电池发展阶段11-12
• 1.2.2 聚合物太阳能电池工作原理与器件结构12-14
• 1.3 共轭聚合物的分子设计14-16
• 1.3.1 带隙以及LUMO-HOMO能级要求14-15
• 1.3.2 溶解性能15-16
• 1.4 共轭聚合物合成的一般方法16-17
• 1.5 聚合物太阳能电池材料17-24
• 1.5.1 受体材料17-18
• 1.5.2. 聚合物给体材料18-24
• 1.6 本论文的设计思想和研究内容24-26
• 2 基于5-氟-2,1,3-苯并噻二唑聚合物的合成及其光伏性能26-38
• 2.1 前言26-27
• 2.2 实验部分27-31
• 2.2.1 试剂与仪器27-28
• 2.2.2 单体和聚合物的合成28-30
• 2.2.3 测试方法30-31
• 2.3 结果与讨论31-37
• 2.3.1 合成与表征31
• 2.3.2 热稳定性31-32
• 2.3.3 光学性能32-33
• 2.3.4 电化学性质33-34
• 2.3.5 空穴迁移率34-35
• 2.3.6 光伏性能35-36
• 2.3.7 形貌36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 3 烷氧苯基苯并二噻吩与氟代苯并噻二唑共聚物的合成及光伏性能38-48
• 3.1 前言38-39
• 3.2 实验部分39-41
• 3.2.1 试剂与规格39
• 3.2.2 仪器与测试方法39-40
• 3.2.3 单体及聚合物的合成40-41
• 3.3 结果与讨论41-47
• 3.3.1 聚合物的合成与结构表征41
• 3.3.2热稳定性41-42
• 3.3.3 光学性能42
• 3.3.4 电化学性能42-43
• 3.3.5 空穴迁移率43-44
• 3.3.6 光电性能44-46
• 3.3.7 形貌46-47
• 3.4 本章总结47-48
• 4 基于苯并二吡咯二酮单元及其光伏器件性能的研究48-58
• 4.1 前言48-49
• 4.2 实验部分49-51
• 4.2.1 试剂与规格49
• 4.2.2 仪器与测试方法49
• 4.2.3 单体与聚合物的合成49-51
• 4.3 结果与讨论51-56
• 4.3.1 合成与表征51
• 4.3.2 热稳定性51-52
• 4.3.3 光学性能52-53
• 4.3.4 电化学性能53-54
• 4.3.5 空穴迁移率54
• 4.3.6 光伏性能54-56
• 4.3.7 形貌56
• 4.4 本章总结56-58
• 5 总结与展望58-59
• 参考文献59-70
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果70-71
• 致谢71

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