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基于吡啶并噻二唑的聚合物光伏材料的合成及性能研究

作　者: 康怀银
导　师: 赵斌
学　校: 湘潭大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 聚合物太阳能电池侧链型共轭聚合物吡啶并噻二唑苯并二噻吩衍生物反向器件
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

作为第三代太阳能电池的主力军之一，聚合物太阳能电池(PSCs)已经成为全世界科学家研究的重点，并在最近几年取得了令人瞩目的进展。目前，虽然文献报道的PSCs的光电转换效率(PCE)已达到了10.6%，但是这距离商业化应用还有一定距离。为了能使聚合物具有更匹配可见光区域的光谱吸收，较低的HOMO能级，以及较高的空穴迁移率，最终达到提高PCE的目的，我们设计并且合成了一系列基于PyT(吡啶并噻二唑)的聚合物，同时，为了对比，我们还合成了具有类似结构的基于BT(苯并噻二唑)的聚合物，并利用红外、质谱及核磁等对其结构进行了表征。同时，我们还测试了聚合物的紫外-可见光谱、荧光光谱、循环伏安谱图等，详细研究了聚合物的结构与其光电性质、电化学性质。1、以含烷氧基的苯并二噻吩(BDT)和含噻吩烷基的苯并二噻吩(BDTT)作为推电子结构单元，通过乙烯双键将二噻吩并吡啶并噻二唑(DTPyT)拉电子结构单元引入侧链，设计并合成了两种侧链型聚合物PBDT-T-DTPyT和PBDTT-T-DTPyT。同时，为了探讨吡啶并噻二唑(PyT)单元在主、侧链不同位置对聚合物光伏性能的影响，我们还合成了一种DTPyT拉电子结构单元在主链的聚合物PBDT-DTPyT。三种聚合物均具有较好的溶解性和成膜性。研究结果表明，主链型聚合物PBDT-DTPyT比相应的侧链型聚合物PBDT-T-DTPyT和PBDTT-T-DTPyT的吸收光谱分别红移了110nm和73nm，这说明主链型聚合物PBDT-DTPyT比侧链型PBDT-T-DTPyT和PBDTT-T-DTPyT具有着更强的分子内电荷转移(ICT)相互作用。尽管这三种聚合物的HOMO能级均低于-5.2eV，但是其PSCs的开路电压(Voc)却均低于0.62V，这大大低于理论开路电压，这是因为聚合物中的吡啶并噻二唑单元(作为路易斯碱)与空穴提取层中的聚苯乙烯磺酸盐(PSS，作为路易斯酸)的相互作用，导致光敏活性层和空穴提取层之间形成了非欧姆接触，故开路电压较低。因此基于PBDTT-T-DTPyT的反向PSC器件(未采用PEDOT：PSS作为空穴提取层)的开路电压Voc远远高于正向的PSC器件。相比于其它两种聚合物，聚合物PBDTT-T-DTPyT表现相对较好的光伏性能，在正向和反向PSC器件中的PCE分别为1.68%和2.08%。2、以BDTT作为推电子结构单元，设计并合成了两种基于PyT与BT拉电子结构单元的侧链型聚合物PBDTT-T-DTPyT和PBDTT-T-DTBT，以及PyT拉电子结构单元在主链的聚合物PBDTT-DTPyT。研究结果表明，侧链型聚合物PBDTT-T-DTPyT的吸收光谱要比PBDTT-T-DTBT的红移22nm，且前者的能隙更低，这是因为吡啶并噻二唑的极性和缺电子程度比苯并噻二唑的大，从而有利于增强聚合物的π-π堆积效应和分子内电荷转移，故基于PBDTT-T-DTPyT的PSC具有更高的Jsc和PCE。尽管主链型聚合物PBDTT-DTPyT的吸收光谱比侧链型聚合物PBDTT-T-DTPyT的要宽并且红移91nm，但其PSC的Jsc和PCE要比后者低很多，这是因为PBDTT-DTPyT的空穴迁移率比后者低500倍。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章文献综述  10-24
  1.1 研究背景  10
  1.2 PSCs 的研究进展  10-12
    1.2.1 PSCs 的工作原理  10-11
    1.2.2 PSCs 的器件结构  11-12
  1.3 PSCs 的重要参数  12-15
  1.4 PSCs 材料  15-23
    1.4.1 PPVs(聚对苯乙烯撑衍生物)类材料  15
    1.4.2 PThs(聚噻吩)类材料  15-16
    1.4.3 低能隙 D-A 型聚合物材料  16-23
  1.5 本论文的设计思想及研究内容  23-24
第2章主、侧链含吡啶并噻二唑的共轭聚合物的合成及性能研究  24-46
  2.1 引言  24-25
  2.2 实验部分  25-37
    2.2.1 测试的方法、条件及试剂  25
    2.2.2 单体和最终聚合物的合成  25-37
  2.3 结果与讨论  37-45
    2.3.1 单体及最终聚合物的合成与结构表征  37-38
    2.3.2 聚合物的热性能  38-39
    2.3.3 聚合物的光物理性能  39-40
    2.3.4 聚合物的电化学性能  40-42
    2.3.5 聚合物的光伏性能  42-45
  2.4 本章小结  45-46
第3章含吡啶并噻二唑、苯并噻二唑以及苯并二噻吩衍生物的共轭聚合物的合成及性能研究  46-63
  3.1 引言  46-47
  3.2 实验部分  47-56
    3.2.1 测试的方法、条件及试剂  47
    3.2.2 单体和最终聚合物的合成  47-56
  3.3 结果与讨论  56-62
    3.3.1 单体及最终聚合物的合成与结构表征  56
    3.3.2 聚合物的热性能  56-57
    3.3.3 聚合物的光物理性能  57-59
    3.3.4 聚合物的电化学性能  59-60
    3.3.5 聚合物的光伏性能  60-62
  3.4 本章小结  62-63
总结与展望  63-64
参考文献  64-69
致谢  69-70
附录A 所有试剂及其纯化处理方法  70-73
附录 B 所有仪器的测试条件及方法  73-74
攻读硕士期间发表的论文情况  74

基于吡啶并噻二唑的聚合物光伏材料的合成及性能研究

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