含噻吩和噻唑基元的共轭聚合物的合成和光伏性能研究

【摘要】： 由于聚合物太阳能电池(PSCs)与传统无机太阳能电池相比具有制备工艺简单、造价低廉、可制成超薄、大面积柔性器件等优点而倍受关注。但目前聚合物太阳能电池的能量转化效率以及稳定性与无机太阳能电池相比还比较低,还不能实际应用。为了提高聚合物太阳能电池的性能,本论文主要从制约聚合物太阳能电池转化率中共轭聚合物材料的关键影响因素考虑,以拓宽聚合物光伏材料的吸收光谱和调节聚合物能级结构等为出发点,设计合成了三个系列的共轭聚合物太阳能电池新材料。对它们进行了1H-NMR、元素分析等结构表征,同时进行了分子量、热性能基本性能表征,以及紫外-可见吸收分析和电化学分析。分别以它们为光伏材料,制备了本体异质结光伏器件,讨论了光活性层以及光伏器件的性能。具体如下: 1.合成了共聚物(PBDTV),其吸收范围为300-620 nm,覆盖了可见光区内的大部分范围。该材料相对于聚噻吩乙烯等材料来说,热性能和光致发光性能优良。其LUMO和HOMO能级分别为-2.82 eV和-5.16 eV。以聚合物和PC71BM的质量比为1:4制备器件,在AM 1.5, 100 mW/cm2的光照射下,聚合物太阳能电池的开路电压为0.71 V,能量转化效率达到了2.63%。 2.通过不同烷基取代的噻唑和乙烯共聚得到共聚物P1和P2。两个聚合物的吸收光谱覆盖了整个可见光区,噻唑单元的引入有效降低了聚合物的HOMO能级和LUMO能级,两个聚合物的HOMO能级分别达到了-5.32 eV和-5.35 eV。不同烷基对于聚合物的光物理性能和电化学性能的影响不大。以聚合物和PC61BM的质量比为1:1制备器件,在AM 1.5, 100 mW/cm2的光照射下,聚合物的太阳能电池的能量转化效率分别为0.21%和0.15%。 3.制备了用烷基取代联噻唑分别和2,7-二(4’,4’,5’,5’-四甲基-1’,3’,2’-二氧杂戊硼烷-2’-基)-N-9’-十七烷基咔唑以及2,6-二三甲基锡-N-2-乙基己基-二噻并[3,2-b:2’,3-d’]吡咯共聚的D-A共聚物P3和P4。给体单元的改变使聚合物的吸收光谱、电子能级以及光伏性能有明显变化。聚合物P4的吸收光谱相对P3红移,最大吸收峰从472 nm红移到了540 nm;但是聚合物的HOMO能级则由P3的-5.44 eV增大到P4的-4.76 eV。以聚合物和PC61BM的质量比为1:1制备器件,在AM 1.5, 100 mW/cm2的光照射下,两种聚合物的太阳能电池的开路电压和能量转化效率分别为0.82 V,0.3%和0.28 V,0.06%。 【关键词】：共轭聚合物 吸收光谱 能级 聚合物太阳能电池 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】：2010
【分类号】：O631.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1 章 绪论9-26
• 1.1 引言9
• 1.2 聚合物太阳能电池9-18
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的基本原理10-13
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的能量转换效率的影响因素13-16
• 1.2.3 太阳能电池的重要参数16-18
• 1.3 聚合物太阳能电池光伏材料18-23
• 1.3.1 聚合物太阳能电池给体材料19-22
• 1.3.2 聚合物受体材料22-23
• 1.4 本论文常用的噻唑杂环的合成和取代23-24
• 1.5 论文的设计思想和主要研究内容24-26
• 第2 章 主链含苯并二噻吩结构的聚合物合成和光伏性质研究26-36
• 2.1 引言26
• 2.2 实验部分26-29
• 2.2.1 仪器和试剂26
• 2.2.2 单体和聚合物的合成26-29
• 2.3 结果和讨论29-35
• 2.3.1 合成产物的表征29-30
• 2.3.2 聚合物的热性能30-31
• 2.3.3 聚合物的光物理性能31-32
• 2.3.4 聚合物的电化学性能32-33
• 2.3.5 聚合物的光伏性能33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3 章 噻唑乙烯聚合物的合成与光伏性能研究36-45
• 3.1 引言36
• 3.2 实验部分36-40
• 3.2.1 仪器和试剂36
• 3.2.2 单体和聚合物的合成36-40
• 3.3 结果与讨论40-44
• 3.3.1 中间体和目标单体、聚合物的表征40-41
• 3.3.2 聚合物的分子量和热性能41-42
• 3.3.3 聚合物的光物理性能和电化学性能42-44
• 3.3.4 聚合物的光伏性能44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4 章 主链含联噻唑的聚合物合成及光伏性质研究45-60
• 4.1 引言45
• 4.2 实验部分45-54
• 4.2.1 仪器和试剂45
• 4.2.2 单体和聚合物的合成45-54
• 4.3 结果与讨论54-58
• 4.3.1 合成路线的选择和产物的表征54
• 4.3.2 聚合物的分子量和热性能54-55
• 4.3.3 聚合物的光物理性能55-56
• 4.3.4 聚合物的电化学性能56-57
• 4.3.5 聚合物的光伏性能57-58
• 4.4 本章小结58-60
• 总结与展望60-62
• 参考文献62-69
• 致谢69-70
• 附录A 仪器和测试方法70-72
• 附录B 主要试剂及其纯化方法72-74
• 攻读硕士学位期间发表论文情况74

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