论文部分内容阅读
带宽小于2.0 eV,基于电子给体-电子受体交替共聚的窄带隙聚合物已经成为聚合物太阳能电池研究的主流。目前,大多数窄带隙聚合物难以均衡带隙控制,载流子迁移率以及能级排列问题,本论文的主要工作是设计合成一系列结构新颖的电子给体单元、电子受体单元,以及基于电子给体-电子受体交替共聚的窄带隙聚合物太阳能电池材料。考察聚合物的光谱和电化学性质,优化聚合物太阳能电池器件的工艺条件,研究聚合物结构对器件光伏性能的影响,揭示共轭结构对聚合物带隙、吸收光谱以及能级排列的影响,开发高性能的太阳能电池材料。本论文第二章中,以咔唑桥连三苯基胺基团作为电子给体单元和电子受体单元吡咯并吡咯二酮(DPP),噻唑并[5,4-d]噻唑(TTz)共聚合成两种二维窄带隙聚合物PTCDPP和PTCTTz。讨论了不同电子受体单元对聚合物光谱吸收,电化学性能的影响,探讨了咔唑单元作为二维侧链对PTCDPP的光伏性能的影响。优化基于PTCDPP的太阳能电池器件FTO/Ti02/PTCDPP:PCBM/Mo03/Al的光电转化效率,考虑PTCDPP:PCBM质量比,活性层的退火工艺,高沸点溶剂添加剂的使用等因素的影响发现：最优的器件效率是活性层PTCDPP:PCBM (1:4, w/w)用3%(v/v)1,8-二碘辛烷(DIO)的邻二氯苯溶液成膜,80℃退火后得到,器件参数为PCE= 2.65%,Jsc= 4.47 mA/cm2, Voc= 0.80 V, FF= 0.37。此系列聚合物的开发针对空穴迁移率与吸收波谱难以均衡,从聚合物结构设计上提出了一种新的设计方法。第三章以苯并三噻吩(BTT)为电子供体单元,和DPP, TTz,噻吩吡咯二酮(TPD)和二噻唑并[4,5-g]喹喔啉(DTBTQx)等电子受体单元交替共聚得到一系列光学带宽1.20 eV-1.80 eV的窄带隙聚合物PBTTDPP, PBTTTTz, PBTTTPD和PBTTDTBTQx,分析不同电子受体结构对聚合物带隙、吸收光谱、能级排列的作用机制。应用于聚合物太阳能电池的器件结构为ITO/PEDOT4083 (40 nm)/聚合物:PC71BM (80 nm)/Al (80 nm),考虑不同的聚合物/PC71BM质量比,加入聚[(9,9-二辛基-2,7-芴)-并(9,9-双(3’-(N,N-二甲氨基)丙基)-2,7-芴)](PFN)层等因素的优化工艺,活性层PBTTTTz:PC71BM (1:1, w/w)没有加PFN层的器件取得了PCE为1.38%,Jsc为5.46 mA/cm2, Foc为0.51 V,FF为0.50的结果。上述光伏器件的优化条件为BTT基窄带隙聚合物的器件优化提供了一定的借鉴。第四章以萘并二噻吩(NDT)单元和DPP, TTz, TPD和DTBTQx等受体单元采用直接芳基化聚合反应的方法得到一系列的聚合物PNDTDPP, PNDTTTz, PNDTTPD和PNDTDTBTQx。此系列聚合物的光学带宽在1.20 eV～1.80 eV, HOMO能级为-4.94 eV～-5.28 eV, LUMO能级为-3.42 eV～-3.77 eV,聚合物具有良好的溶解性和成膜性能,希望能得到Jsc比较高的高性能太阳能电池材料。目前基于这类聚合物的太阳能电池器件检测正在进行中。第五章中通过在双溴代的苯环上闭环反应得到4,8-二溴苯并呋喃[5,6-b]呋喃的中间产物,通过典型的钯催化下金属转移的偶联反应如Suzuki, Still等反应可以得到4,8位取代基修饰苯并二呋喃(BDF)单元,避免了以苯并二呋喃4,8-二酮作为中间产物,通过类似苯并二噻吩(BDT)衍生物的拓展方式带来的限制。本章中以4,8-二溴苯并呋喃[5,6-b]呋喃为中间产物合成了几种BDF单元衍生物的电子供体：巯烷基取代BDF单元(BDF-S),三异丙基硅炔基取代BDF单元(TIPSBDF),烷基噻吩基取代BDF单元(BDFT),巯烷基噻吩基取代BDF单元(BDFT-S),并和电子受体单元DPP, TTz和DTBTQx等Still聚合得到了一系列的聚合物。分析不同电子受体单元以及不同给体单元对聚合物带隙、吸收光谱、能级排列的作用机制。目前基于这类聚合物的太阳能电池器件测试正在进行中。