具有D-A结构的有机聚合物光伏材料的合成及在光伏领域中的应用

【摘要】：近年来,随着煤、石油、天然气等传统能源的逐渐消耗,以及环境污染问题的加剧,人们把目光投向了氢能、水能、太阳能等无污染的新能源,其中太阳能以取之不尽、可重复利用、成本低廉、无污染等优点而备受青睐。由于具有制备工艺简单、制造面积大、成本低廉、柔性等优点,聚合物太阳能电池更是成为人们研究的热点。但是聚合物光伏材料通常具有光吸收能力弱,吸收光谱窄和载流子迁移率低的不足,从而影响了它的应用,因此探索性能优良的聚合物光伏材料具有十分重要的理论意义和实际应用价值。本论文的工作重点是通过合成不同的给体单元(Donor,D)和受体单元(Accepter, A),设计并合成了两种分别由苯并噻二唑、咔唑或噻吩二甲酰亚胺、咔唑单元组成的,具有D-A型结构的共轭聚合物光伏材料,并对其光物理与电化学性能进行了研究。主要工作如下： 1、以N-十二烷基-2,7-咔唑为给体单元、5,6-二辛氧基二噻吩苯并噻二唑为受体单元,通过Suzuki偶联反应成功制备了一种具有给-受体结构的共轭聚合物聚(N-十二烷基-2,7-咔唑-5,6-二辛氧基-4,7-二噻吩-2-基-苯并噻二唑)P1。利用核磁对共聚物P1的结构进行表征,证明了共聚物P1的结构,并对P1的光物理与电化学性能进行了详细的研究。结果显示,聚合物P1的HOMO能级(即电离势IP)为-5.23 eV, LUMO能级(即电子亲和势EA)为-3.59 eV,聚合物的带隙降低到1.88 eV,其光吸收覆盖了300-660 nm的范围。以P1为给体材料,PCBM为受体材料,制得的共混体相异质结太阳能电池在AM 1.5,100mW·cm-2模拟太阳光下,开路电压为0.88 V,短路电流为2.04 mA·cm-2,填充因子为0.51,能量转换效率为0.92%。 2、通过Suzuki偶联反应合成了一种新型具有给-受体结构的共轭聚合物聚(N-十二烷基-2,7-咔唑-噻吩二甲酰亚胺)P2。利用核磁对共聚物P1的结构进行表征,证明了共聚物P2的结构。该聚合物材料具有良好的热稳定性；其HOMO能级(即电离势IP)为-5.46 eV, LUMO能级(即电子亲和势EA)为-3.32 eV,光学禁带宽度为2.17 eV,其光吸收覆盖了300nm-550 nm的范围。以P2为给体材料,PCBM为受体材料,制得的共混体相异质结太阳能电池在AM1.5, 100mW·cm-2模拟太阳光下,开路电压为0.88 V,短路电流为1.17 mA·cm-2,填充因子为0.51,能量转换效率为0.52%。 3.设计并合成了两种新的具有推电子能力的D类单体——D2(2,5-二溴噻吩[3,2-b]并噻吩)和D3(2,5-二溴-3,6-二辛氧基噻吩[3,2-b]并噻吩),另外还合成了给体单体2,5-二溴-3,4-乙撑二氧噻吩(D4)。详细研究了单体的反应规律,为后续设计和合成新的聚合物光伏材料,制备高性能的光伏太阳能器件奠定了基础。 【关键词】：共轭聚合物 太阳能电池 能量转换效率 Suzuki偶联
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ320.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-35
• 1.1 引言15
• 1.2 聚合物太阳能电池15-21
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的发展历史15-16
• 1.2.2 聚合物太阳能电池工作原理16-19
• 1.2.3 聚合物太阳能电池的性能参数19-21
• 1.3 聚合物太阳能电池材料21-32
• 1.3.1 电子给体材料22-30
• 1.3.2 电子受体材料30-32
• 1.4 论文的设计思想和主要研究内容32-35
• 第二章 咔唑和苯并噻二唑共轭聚合物光伏材料35-57
• 2.1 前言35
• 2.2 合成路线35-38
• 2.2.1 单体的合成路线35-37
• 2.2.2 聚合物P1的合成路线37-38
• 2.3 实验部分38-43
• 2.3.1 试剂及测量方法38-40
• 2.3.2 器件的制备40
• 2.3.3 单体的合成40-43
• 2.3.4 聚合物P1的合成43
• 2.4 结果与讨论43-55
• 2.4.1 单体和聚合物的制备与结构表征43-49
• 2.4.2 聚合物P1的分子量及其分子量分布49-50
• 2.4.3 聚合物P1的热性能50-51
• 2.4.4 聚合物P1的紫外-可见吸收光谱51-52
• 2.4.5 聚合物P1的电化学性能52-53
• 2.4.6 聚合物P1的光伏性能53-55
• 2.5 本章小结55-57
• 第三章 咔唑-噻吩二甲酰亚胺共轭聚合物光伏材料57-73
• 3.1 前言57
• 3.2 合成路线57-59
• 3.2.1 单体的合成路线57-58
• 3.2.2 聚合物P2的合成路线58-59
• 3.3 实验部分59-62
• 3.3.1 试剂及测量方法59-61
• 3.3.2 器件的制备61
• 3.3.3 单体的合成61-62
• 3.3.4 聚合物P2的合成62
• 3.4 结果与讨论62-71
• 3.4.1 单体和聚合物的制备与结构表征62-65
• 3.4.2 聚合物P2的分子量及分子量分布65-66
• 3.4.3 聚合物P2的热性能66-67
• 3.4.4 聚合物P2的紫外可见吸收光谱67-69
• 3.4.5 聚合物的电化学性能69-70
• 3.4.6 聚合物P2的光伏性能70-71
• 3.5 本章小结71-73
• 第四章 聚合物给体材料中其他给体电子单体的合成73-89
• 4.1 前言73
• 4.2 合成路线73-76
• 4.2.1 单体D2的合成路线73-74
• 4.2.2 单体D3的合成路线74-75
• 4.2.3 单体D4的合成路线75-76
• 4.3 实验部分76-80
• 4.3.1 试剂76-78
• 4.3.2 单体的合成78-80
• 4.4 结果与讨论80-88
• 4.4.1 单体D2的制备与结构表征80-82
• 4.4.2 单体D3的制备与结构表征82-86
• 4.4.3 单体D4的制备与结构表征86-88
• 4.5 本章小结88-89
• 第五章 结论89-91
• 参考文献91-95
• 致谢95-97
• 研究成果及发表的学术论文97-99
• 作者和导师简介99-101
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书101

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