含噻唑和吲哚基团的有机光伏材料的合成及性能研究

【摘要】：能源问题是人类当前面临的一个严峻问题。随着化石能源的日益枯竭，新型可再生清洁能源的开发是科学工作者研究的重点。其中，有机太阳能电池（OSCs）作为一类低成本、清洁的可再生能源的利用方式，已经成为时下科研和工业领域共同研究的热点。目前，面临的最大问题是有机太阳能电池的光电转换效率还没办法满足产业化的需要。在这个背景下，我们设计并合成了三类共七种有机太阳能电池材料，采用核磁共振、红外光谱、飞行时间质谱等测试方法对所合成的化合物进行了结构表征。并对这些材料的光物理、电化学和光伏性能进行了研究。主要研究内容如下： 1.设计并合成了两个主链含有苯并二噻吩和噻唑，侧链为苯并噻二唑并二噻吩（DTBT）及其衍生物(DTffBT)的聚合物(PT-Tz-DTBT和PT-Tz-DTffBT)，并对其光物理、电化学和光伏性能做了测试。两个聚合物(PT-Tz-DTBT和PT-Tz-DTffBT)都具有相当低的HOMO能级，分别是-5.58eV和-5.59eV。应用到本体异质结太阳能电池中，使用PC61BM作为电子受体时，PT-Tz-DTBT和PT-Tz-DTffBT得到的光电转换效率分别是2.63%和3.75%。使用PC71BM作为受体时，PT-Tz-DTffBT的正向器件和反向器件得到的效率分别是3.65%和4.42%。 2.设计并合成了两种含三苯胺和吲哚的D-D-π-A型有机染料（SD1和SD2）。并将其应用到染料敏化太阳能电池（DSSCs）当中。还首次将SCN基团引入到纯有机染料(SD2)中，并研究了这个基团对其光物理，电化学和光伏性能的影响。研究发现，这个基团的引入，使该染料的光伏性能得到了加强。在AM1.5的模拟太阳光照下，基于SD2的电池获得了6.74%的能量转换效率，而没有SCN基团的SD1的效率仅有5.53%。 3．设计并合成了三个D-π-A型的有机染料分子(LD1、LD2和LD3)。并应用到了染料敏化太阳能电池中。研究了分子中的噻吩支链结构的不同对其性能的影响。研究发现，支链为共轭结构的分子光电转换效率更高。三个染料中效率最高的是含有乙烯噻吩的LD3，其能量转换效率达到了7.84%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 噻唑 染料敏化太阳能电池 吲哚 共轭支链
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O626;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 文献综述9-22
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 聚合物太阳能电池研究进展10-16
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的光伏材料10-14
• 1.2.2 聚合物太阳能电池工作原理14
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的器件结构14-15
• 1.2.4 太阳能电池器件性能的表征及影响因素15-16
• 1.3 染料敏化太阳能电池 (DSSCs) 简介及研究现状16-20
• 1.3.1 DSSCs 器件结构及工作原理16-17
• 1.3.2 DSSCs 器件影响能量转换效率因素17-18
• 1.3.3 染料敏化剂的研究进展18-20
• 1.4 论文的设计思想与研究内容20-22
• 第2章 含噻唑基团的高效聚合物太阳能电池的研究22-36
• 2.1 引言22-23
• 2.2 实验部分23-29
• 2.2.1 试剂及测试条件和方法23
• 2.2.2 单体和聚合物的合成和表征23-29
• 2.3 结果与讨论29-35
• 2.3.1 单体和聚合物的合成及结构表征29-30
• 2.3.2 聚合物的热性能30
• 2.3.3 聚合物的光物理性能30-31
• 2.3.4 聚合物的电化学性能31-32
• 2.3.5 聚合物的空穴迁移率32-33
• 2.3.6 聚合物的光伏性能33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 基于三苯胺和吲哚衍生物的 D-D-π-A 型有机染料的合成及性能研究36-49
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验部分37-42
• 3.2.1 试剂和测试方法37
• 3.2.2 目标染料的合成路线37-42
• 3.3 结果与讨论42-48
• 3.3.1 有机染料的合成与表征42
• 3.3.2 有机染料的光物理性能42-44
• 3.3.3 有机染料的电化学性能44-45
• 3.3.4 有机染料的光伏性能45-47
• 3.3.5 有机染料的电化学阻抗47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 噻吩上带有不同共轭侧基的有机染料的合成及性能研究49-66
• 4.1 引言49
• 4.2 实验部分49-60
• 4.2.1 试剂和测试方法49
• 4.2.2 目标染料的合成路线49-60
• 4.3 结果与讨论60-65
• 4.3.1 有机染料的合成与表征60-61
• 4.3.2 有机染料的光物理性能61-62
• 4.3.3 有机染料的电化学性能62-64
• 4.3.4 有机染料的光伏性能64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 总结与展望66-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-74
• 附录 A 试剂、药品及其纯化方法74-76
• 附录 B 仪器及测试条件和方法76-77
• 攻读硕士学位期间发表论文及专利情况77

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