N，N-二苯腙类染料和二茚并吡嗪类共轭聚合物的合成及其光伏性质的研究

【摘要】：本论文对染料敏化太阳能电池(DSSCs)和聚合物太阳能电池(PSCs)的光敏材料及器件的新近研究进展进行了简要的综述。为了更好的研究染料分子中的π-共轭桥对染料光电性能的影响规律和调控聚合物的吸收光谱、前线分子轨道分子能级、带隙及电荷传输性能，我们设计并合成了一类以N,N-二苯基腙为电子给体的D-π-A型纯有机染料和基于二茚并吡嗪的共轭聚合物。通过核磁共振、红外光谱、元素分析等分析测试手段对合成的染料分子和聚合物的结构进行了表征和确证。利用紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱、循环伏安法等研究了染料分子和聚合物的光物理和电化学性质，同时制备了基于所合成的染料和聚合物的染料敏化和聚合物光伏器件，研究了DSSCs和PSCs的光伏性能。主要的研究内容和结果如下： 1.设计并合成了四个以N, N-二苯腙为电子给体(D)、不同芳香环为π共轭桥、氰基乙酸为电子受体(A)的D-π-A型纯有机染料分子HB、HP、HF和HT。重点研究了不同芳香性共轭桥(苯、吡咯、呋喃和噻吩)对染料的光物理性质、电化学性质以及光伏性质的影响规律。基于四种染料的DSSCs光伏性能测试结果表明N，N-二苯腙是一类良好的电子给体材料，同时不同的芳香共轭桥对染料的光电性质具有明显的影响。以吡咯环为共轭桥的染料HP表现出最优的光伏性能，其光电转换效率高达到7.18%(Jsc=14.76mA/cm~2, Voc=0.69V, FF=0.705)。 2.设计并合成了三个以N, N-二苯腙为电子给体，噻吩衍生物为π-共轭桥、氰基乙酸为电子受体的D-π-A型纯有机染料分子HM、HE和HO。系统地研究了噻吩衍生共轭桥对染料分子的光物理性质、电化学性质以及光伏性质的影响规律。基于三种染料的DSSCs光伏性能测试结果表明不同的噻吩衍生共轭桥对染料的光电性质具有明显的影响。以3,4-二辛氧基噻吩为共轭桥的染料HO表现出最优的光伏性能，其光电转换效率达到5.83%(Jsc=12.96mA/cm~2，Voc=0.65V，FF=0.707)。 3.设计并合成了六个基于二茚并吡嗪(IPY)单元的新型共轭聚合物PIPY-DTBT、PIPY-DTBTA、PIPY-DTTT、PIPY-BT、PIPY-BDT和PIPY-TT。系统地研究了与IPY共聚的单元的给/吸电子能力对聚合物的热稳定性、光物理、电化学性质以及其光伏性能的影响规律。结果表明：IPY是一个具有良好共平面性的弱给体单元，与吸电子单元(苯并噻二唑、苯并三氮唑、噻唑并噻唑)共聚能够获得高的开路电压(~0.7V)；另外，通过与不同给/吸电子属性的结构单元共聚，可实现对聚合物的吸收光谱、能隙和分子能级得到有效调控。基于这类新型共聚物的本体异质结型PSCs的光电转换效率为0.05~0.77%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 聚合物太阳能电池 N N-二苯腙 二茚并吡嗪 光伏性能
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ613;O633.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 文献综述9-26
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 染料敏化太阳能电池 (DSSCs)10-11
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池工作原理10
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池效率的影响因素10-11
• 1.3 聚合物太阳能电池 (PSCs)11-14
• 1.3.1 聚合物太阳能电池的工作原理11-12
• 1.3.2 聚合物太阳能电池的器件结构12-13
• 1.3.3 影响聚合物太阳能电池效率的主要因素13-14
• 1.4 有机太阳能电池的性能参数14-15
• 1.4.1 短路电流 (J_(sc)) 和开路电压 (V_(oc))14
• 1.4.2 最大输出功率 (Pmax)14-15
• 1.4.3 填充因子 (FF)15
• 1.4.4 能量转换效率 (PCE)15
• 1.4.5 电流密度-电压特性曲线 (J-V 曲线)15
• 1.5 有机太阳能电池光活性材料15-25
• 1.5.1 DSSCs 染料敏化剂15-20
• 1.5.2 PSCs 给体材料20-23
• 1.5.3 PSCs 受体材料23-25
• 1.6 本论文的设计思想与研究内容25-26
• 第2章 含不同芳香共轭桥的腙类 D- -A 染料的合成及光伏性能研究26-39
• 2.1 引言26-27
• 2.2 实验部分27-30
• 2.2.1 试剂和仪器27
• 2.2.2 中间体及目标染料的合成27-30
• 2.3 结果与讨论30-38
• 2.3.1 合成路线的选择及和目标染料的合成与表征30-31
• 2.3.2 染料的光物理性质31-32
• 2.3.3 染料的电化学性质32-35
• 2.3.4 染料分子的结构计算分析35-36
• 2.3.5 染料的光伏性质36-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 以噻吩衍生物为π共轭桥的腙类 D- -A 型染料的合成及光伏性能研究39-52
• 3.1 前言39
• 3.2 实验部分39-43
• 3.2.1 试剂和仪器39-40
• 3.2.2 中间体及目标染料的合成40-43
• 3.3 结果与讨论43-51
• 3.3.1 合成路线的选择及和目标染料的合成与表征43-44
• 3.3.2 染料的光物理性质44-46
• 3.3.3 染料的电化学性质46-48
• 3.3.4 染料分子的结构计算分析48-50
• 3.3.5 染料的光伏性质50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 含二茚并吡嗪类新型共轭聚合物的合成及光电性质的研究52-67
• 4.1 引言52-53
• 4.2 实验部分53-59
• 4.2.1 试剂和仪器53
• 4.2.2 中间体及目标聚合物的合成53-59
• 4.3 结果与讨论59-65
• 4.3.1 中间体及聚合物的合成及表征59
• 4.3.2 聚合物的热性能59-60
• 4.3.3 聚合物的光物理性质60-63
• 4.3.4 聚合物的电化学性能63-64
• 4.3.5 聚合物的光伏性能64-65
• 4.4 本章小结65-67
• 总结与展望67-68
• 参考文献68-74
• 附录A 一些重要的化合物的核磁图74-86
• 附录B 试剂、药品及其纯化方法86-88
• 附录C 仪器及测试条件和方法88-90
• 攻读硕士学位期间发表论文情况90

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