苯并二噻吩和氟代苯并噻二唑交替聚合物的合成及其光伏性能研究

摘要

共轭聚合物一直是聚合物太阳能电池(PSCs)的一个热点，由于其良好的光电性能以及可制备柔性器件的特点。本论文的主要通过用不同的结构修饰供体单元以及受体单元，设计合成了一系列交替聚合物，通过考察不同结构对聚合物电化学性能以及其光伏性能的影响，并进行了聚合物太阳能电池的应用研究。
　　以二维结构苯并二噻吩为母体，在其侧翼噻吩上通过引入烷硫基设计合成了4,8-二[2-（5-辛烷基硫代）噻吩基]-苯并二噻吩(BDTTs)和4,8-二[2-（4,5-二辛烷基硫代）噻吩基]-苯并二噻吩(BDTTss)两个供体单元，并在氟代苯并噻二唑的苯环上引入烷基噻吩基团设计合成了4,7-双(2-噻吩基)-5-[2-（5-十二烷）噻吩基）]-6-氟-苯并噻二唑(DTftBT)以及合成了4,7-双(2-噻吩基)-5-氟-苯并噻二唑(DTfBT)受体单元。将供体单元和受体单元通过Stille反应聚合得到了四个聚合物。考察了不同的修饰结构对聚合物的光学、电化学以及光伏性能的影响。研究发现供体单元上的烷硫基引入能够降低了聚合物最高已占据轨道(HOMO)能级，并且其数目越多聚合物的溶解性越好。制备了基于PBDTTss-DTfBT和PBDTTss-DTftBT的器件，通过退火处理、溶剂以及不同质量比的聚合物/受体材料等器件工艺的优化。基于PBDTTss-DTfBT器件的最高光电转化效(PCE)为6.27％，其开路电压（Voc）为0.89V，短路电流密度(Jsc）为11.7mA/cm2,填充因子(FF)为60.5％。
　　选择了双氟代苯并噻二唑(DTdfBT)为受体单元，与双烷硫基苯(PsDT)或双烷氧基苯(PDT)供体单元通过Stille反应聚合得到了PPsDT-DTdfBT和PPDT-DTdfBT。考察了聚合物主链上的非共价键作用对聚合物的光学、电化学以及光伏性能的影响。研究发现苯环上的烷氧基与受体单元上的噻吩环之间形成了非共价键作用，增强了聚合物主链上π-π堆叠的共面性。当苯环上的烷硫基取代烷氧基时，较大地影响了聚合物的光伏性能，其器件的PCE只有0.12％。基于PPDT-DTdfBT的器件最高PCE为6.19％，其Voc为0.76V，Jsc为11.72 mA/cm2,FF为70.2％。另外制备了基于PPDT-DTdfBT活性层厚度从90nm增厚为220nm的器件，得到的PCE为5.46％，其Voc为0.74V，Jsc为12.48mA/cm2,FF为59.01％。

目录

声明

摘要

常用英文缩写注释表

1 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物太阳能电池的发展历程

1．3 聚合物太阳能电池的工作原理

1．4 聚合物太阳能电池器件的结构

1．5 聚合物太阳能电池的相关性能参数

1．6 聚合物太阳能电池活性层材料

1．6．1 活性层受体材料

1．6．2 活性层有机聚合物给体材料

1．7 论文的研究目的

1．8 论文的研究内容

1．8．1 单体与聚合物的合成

1．8．2 聚合物的表征

2 基于二维结构苯并二噻吩单元聚合物的合成及其光伏性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料的表征与仪器

2．2．2 实验药品和试剂

2．2．3 BDTTs(M1)和BDTTss(M2)供体单元的合成

2．2．4 DTfBT(M3)和DTftBT(M4)受体单元的合成

2．2．5 聚合物的合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 合成与表征

2．3．2 聚合物的热稳定性

2．3．3 聚合物的光学性能

2．3．4 聚合物的电化学性能

2．3．5 聚合物器件的光伏性能及形貌

2．4 本章小结

3 基于双氟代苯并噻二唑受体单元聚合物的合成与其光伏性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料的表征与仪器

3．2．2 实验药品和试剂

3．2．3 PsDT(M5)和PDT(M6)受体单元的合成

3．2．4 聚合物的合成

3．3 结果与讨论

3．3．1 合成与表征

3．3．2 聚合物的热稳定性

3．3．3 聚合物的光学性能

3．3．4 聚合物的电化学性能

3．3．5 聚合物的光伏性能

3．5 本章小结

4 结论

4．1 总结

4．2 创新点

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

附录