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含苯并噻二唑、噻吩和卟啉的窄带隙聚合物及卟啉类有机染料的合成及光伏性能研究

作　者: 周维平
导　师: 谭松庭
学　校: 湘潭大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 聚合物太阳能电池染料敏化太阳能电池卟啉噻吩苯并噻二唑
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

太阳能是可循环利用的能源之一,它清洁无污染,没有区域限制。在众多的光电转换器件中,聚合物太阳能电池和染料敏化太阳能电池以其低成本和易制造等优点而被广泛关注。卟啉是一种叶绿素衍生物,其在420nm左右有一个强的吸收带,在600 nm左右有弱的Q-吸收带,因此而成为光伏领域研究的热点。为了得到更好的与太阳光谱匹配的材料,对卟啉的研究主要是为了拓宽其窄的S-吸收带,加强其弱的Q-带,以及改善S-和Q-吸收带之间的吸收。在本论文中,我们设计并合成了苯并噻二唑和噻吩衍生物修饰的卟啉聚合物和卟啉有机染料,并应用于聚合物和染料敏化太阳能电池。我们利用核磁共振谱、元素分析、红外光谱及飞行时问质谱等表征方法对合成的中间产物及目标化合物进行了结构表征；并且利用紫外-可见光谱、荧光-发射光谱和循环伏安等方法研究了所合成聚合物及有机染料的光物理性能和电化学特征。最后,我们将所合成的聚合物及有机染料制备成相应的太阳能电池并测试了它们的光伏性能,结果如下：1.合成了两种新型的主链由卟啉、苯并噻二唑和噻吩衍生物构成的聚合物并应用于本体异质结太阳能电池。我们测试了聚合物的热学、光学、电化学及光电等方面的性能。结果表明,苯并噻二唑在主链上的引入可以同时拓宽卟啉的S-带和Q-带,而且还可以降低能隙。我们采用聚合物/PC61BM为1：2的比例在AM 1.5,100 mW·cm-2模拟太阳光下测试了聚合物的光电转换效率,其中基于P2/PC61BM的器件最高效率为0.91%,这在卟啉聚合物的应用中是最高的。2.设计并合成了两种由苯并噻二唑和噻吩修饰的新型卟啉染料PMBTZ和PHBTZ。通过紫外-可见光谱、荧光发射光谱以及循环伏安法对其光物理和电化学性质进行了测试。结果表明,低能隙发色团的引入可以使卟啉聚合物的吸收光谱红移和拓宽,可以使卟啉的第一氧化电势更负。在模拟太阳光照射下,基于PMBTZ的染料敏化太阳能电池效率最高：短路电流14.11 mA-cm-2,开路电压0.59V,填充因子0.66,光电转换效率5.46%。3.设计并合成了四个以多烷基噻吩取代中位的卟啉为电子给体,氰基乙酸为受体,不同桥链的有机染料Z1、Z2、Z3和Z4。对四种染料的光物理、光电及光伏性能都进行了系统的测试。所有合成的染料其光谱都比参比染料PZn卟啉染料红移,而且其激发态氧化电势都比参比染料正移,降低了HOMO-LUMO能隙。最后在模拟太阳光照射下,基于染料Z2的电池效率最高,为5.71%。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章有机太阳能电池研究背景  9-24
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 聚合物太阳能电池的研究进展  10-18
    1.2.1 聚合物太阳能电池工作原理  10-11
    1.2.2 聚合物太阳能电池的器件结构  11-12
    1.2.3 太阳能电池器件的表征  12-14
    1.2.4 聚合物太阳能电池材料  14-18
  1.3 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的研究发展  18-23
    1.3.1 光阳极  19-20
    1.3.2 电解液  20
    1.3.3 对电极  20
    1.3.4 敏化剂  20-23
  1.4 论文的设计思想与研究内容  23-24
第2章苯并噻二唑修饰的卟啉窄带隙聚合物的合成及其光伏性能研究  24-38
  2.1 前言  24
  2.2 实验部分  24-27
    2.2.1 仪器和试剂  24-25
    2.2.2 单体和聚合物的合成  25-27
  2.3 结果与讨论  27-37
    2.3.1 实验过程中反应条件研究  27-31
    2.3.2 聚合物的分子量和热性能  31-32
    2.3.3 聚合物的紫外-可见吸收和荧光性能  32-34
    2.3.4 聚合物的电化学性能  34-35
    2.3.5 聚合物的光伏性能  35-37
  2.4 本章小结  37-38
第3章以苯并噻二唑窄带隙单元及噻吩单元为桥链的卟啉染料的合成及其光电性能的研究  38-55
  3.1 引言  38-39
  3.2 实验部分  39-43
    3.2.1 仪器和试剂  39
    3.2.2 染料的合成  39-43
  3.3 结果与讨论  43-54
    3.3.1 实验路线的设计及反应条件的研究  43
    3.3.2 合成化合物的表征  43-47
    3.3.3 染料的光物理性质  47-50
    3.3.4 染料的电化学性质  50-51
    3.3.5 染料分子结构的计算分析  51-52
    3.3.6 染料的光伏性能  52-54
  3.4 本章小结  54-55
第4章 5-烷基噻吩基修饰的卟啉染料的合成及其光伏性能的研究  55-75
  4.1 引言  55-56
  4.2 实验部分  56-62
    4.2.1 仪器和试剂  56
    4.2.2 染料的合成  56-62
  4.3 结果与讨论  62-74
    4.3.1 实验路线的设计及反应条件的研究  62
    4.3.2 合成化合物的表征  62-69
    4.3.3 染料的光物理性质  69-71
    4.3.4 染料的电化学性质  71-72
    4.3.5 染料的光伏性能  72-74
  4.4 本章小结  74-75
总结与展望  75-76
参考文献  76-83
附录A 试剂、药品及其纯化方法  83-84
续表A  84-86
附录B 仪器及测试条件和方法  86-88
致谢  88-89
攻读硕士学位期间发表论文情况  89

含苯并噻二唑、噻吩和卟啉的窄带隙聚合物及卟啉类有机染料的合成及光伏性能研究

内容摘要

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