氟取代三元聚合物给体材料的合成及光伏性能研究

【摘要】：聚合物太阳能电池（PSCs）具有成本低、厚度薄、柔性好、质量轻、工艺简单、易于大面积生产等优点，被研究者广泛研究。目前报道的基于电子给体共轭聚合物和电子受体的富勒烯衍生物（PCBMs）的体异质结有机太阳能电池的能量转化效率已超过10%，发展有机聚合物太阳能电池商业化应用已迫在眉睫。可通过设计合成新型聚合物给体材料得到高效率的有机聚合物太阳能电池。 （1）以苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT）为给体单元，二酮吡咯并[3,4-c]吡咯（DPP）和2,5-二氟苯（DFB）为受体单元通过Stille偶联聚合反应合成三种非规整的三元聚合物：PBDT-DFB3-DPP7、PBDT-DFB1-DPP1和PBDT-DFB7-DPP3。它们均具有较好的热稳定性，热失重为5%的温度分别为405oC、408oC和409oC。并且吸收光谱宽，可覆盖300nm-900nm。通过改变聚合物给/受体单元的比例可调节聚合物的HOMO能级，DFB含量越多，HOMO能级越低。以这三种聚合物作为给体材料，PCBM作为受体材料的有机太阳能电池ITO/PEDOT:PSS/Polymer:PCBM/LiF/Al，重点从退火温度、掺杂比例、添加剂的浓度等进行优化。在AM1.5G，功率为100mW cm-2模拟的太阳光照射下，有机聚合物太阳能电池的转化效率可达2.67%。 （2）以苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩为给体单元，二酮吡咯并[3,4-c]吡咯和四氟苯（TFB）作为受体单元通过给/受体不同比例的调节合成四种共轭聚合物： PBDT-TFB、 PBDT-TFB3-DPP7、 PBDT-DFB1-DPP1和PBDT-DFB7-DPP3。它们均具有较好的热稳定性，热失重为5%的温度分别为420oC、401oC、342oC和356oC。二元结构PBDT-TFB的吸收光谱范围为300nm-600nm，在此结构中引入不同含量的DPP单元可引起在长波段的吸收带（约600nm-900nm）。这四种聚合物的光学带隙依次为2.07eV、1.38eV、1.50eV和1.51eV，均具有较低的HOMO能级，为有机聚合物太阳能电池提供一类新型的三元聚合物给体材料。 （3）基于以上对二氟苯单元的聚合物（PBDT-DFB1-DPP1）和四氟苯单元的聚合物（PBDT-TFB1-DPP1）的研究，我们合成并完善具有苯单元的三元聚合物（PBDT-B1-DPP1）和氟苯单元的三元聚合物（PBDT-FB1-DPP1），一起来讨论不同数目氟原子取代苯作为受体单元的聚合物的性能。该系列的聚合物给体材料吸收谱宽（300nm-900nm）。随着氟原子个数的增加，四氟苯单元的聚合物光吸收明显强于其他三种聚合物，且这四种三元聚合物都具有很好的热稳定性和较低的HOMO能级，热失重为5%的温度范围为407oC-432oC，这使它们有希望成为聚合物太阳能电池的较好的给体材料。 【关键词】：聚合物太阳能电池 三元共轭聚合物 宽吸收谱 氟取代
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 有机太阳能电池的重要进展10-11
• 1.2 聚合物太阳能电池的基本结构及工作原理11-14
• 1.2.1 有机太阳能电池的基本器件结构11
• 1.2.2 有机聚合物太阳能电池的工作原理11-12
• 1.2.3 有机太阳能电池的主要参数12-14
• 1.3 聚合物太阳能电池的给体材料的简介14-23
• 1.3.1 给/受体材料的重要发展14-16
• 1.3.2 具有给/受体结构单元的聚合物给体材料16-18
• 1.3.3 三元聚合物给体材料18-23
• 1.4 氟取代聚合物给体材料23-26
• 1.4.1 氟类有机材料特点及相互作用23-24
• 1.4.2 氟取代聚合物给体材料的结构与性质24-26
• 1.5 本论文的选题意义及研究内容26-28
• 1.5.1 选题意义26
• 1.5.2 研究内容26-28
• 第二章 实验方法28-32
• 2.1 主要试剂及试剂的纯化28-29
• 2.2 主要仪器和设备29
• 2.3 器件的制备与性能测试手段29-32
• 2.3.1 器件的制备29-30
• 2.3.2 性能的测试手段30-32
• 第三章 基于二氟苯单元的三元聚合物给体材料的合成及光伏性能研究32-50
• 3.1 引言32-33
• 3.2 聚合物的设计与合成33-34
• 3.3 结果与讨论34-48
• 3.3.1 热稳定性34
• 3.3.2 紫外-可见吸收光谱34-36
• 3.3.3 电化学性能36-37
• 3.3.4 光伏特性37-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第四章 基于四氟苯单元的三元聚合物给体材料的合成及性能表征50-56
• 4.1 引言50
• 4.2 聚合物的设计与合成50-52
• 4.3 结果与讨论52-55
• 4.3.1 热稳定性52-53
• 4.3.2 紫外-可见吸收光谱53-54
• 4.3.3 电化学性能54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 基于不同氟取代苯单元的三元聚合物给体材料的合成及性能表征56-62
• 5.1 引言56
• 5.2 聚合物的设计与合成56-58
• 5.3 结果与讨论58-60
• 5.3.1 热稳定性58
• 5.3.2 紫外-可见吸收光谱58-60
• 5.3.3 电化学性能60
• 5.4 本章小结60-62
• 第六章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62
• 6.2 创新点62
• 6.3 展望62-64
• 参考文献64-72
• 致谢72-74
• 攻读学位期间取得的研究成果74

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