基于吡啶并噻二唑、三氮唑的聚合物光伏材料合成及性能研究

发布时间：2020-11-03 03:45

　　 近年来,探索新型的聚合物并用于制备高性能聚合物太阳能电池(PSCs)是该领域的主要研究方向之一。在本研究中,基于吡啶并噻二唑、三氮唑的聚合物光伏材料被设计并合成,通过引入卤素原子来降低聚合物的HOMO能级,同时通过控制烷基侧链的长短来调节共轭聚合物的溶解性、聚集态以及与电子受体材料的共混相容性,从而达到优化聚合物光伏性能的目的。在本论文工作中的主要研究内容为:1、以吡啶并[3,4-c]噻二唑(PT)作为强的拉电子受体结构单元(A),烷基噻吩作为推电子结构单元(D),双氟代苯并噻二唑或单氟代苯并噻二唑为第二拉电子结构单元,设计并合成了的两种新型的三元共轭聚合物PDTPT-DFBT和PDTPT-FBT,聚合物在溶液和薄膜状态对300-800 nm范围的太阳光具有强吸收,表明该聚合物是一类宽吸收的聚合物光伏材料。聚合物PDTPT-DFBT表现出比PDTPT-FBT更红移的吸收光谱、更小的π-π堆砌距离。在未加入任何添加剂及未进行任何后处理条件下,分别以聚合物PDTPT-DFBT、PDTPT-FBT为电子给体材料,PCBM(富勒烯衍生物)为电子受体材料所制备的本体异质结型光伏器件的光电转换效率(PCE)值分别为2.56%、3.14%。同时,两种聚合物的HOMO能级都低于的-5.40 eV,所制备的PSCs器件获得均高于0.90 V的开路电压(V_(oc)),这在窄带隙聚合物光伏材料中是较为少见的。2、将1H-1,2,4-三氮唑作为拉电子结构单元,并与推电子结构单元苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)衍生物共聚,得到D-A共轭聚合物光伏材料,为了适当降低聚合物的LUMO(最低空轨道)和HOMO(最高成键分子轨道)能级、拓宽聚合物的吸收光谱以及降低聚合物的能隙,我们在推电子结构单元BDT中引入电负性较强的卤素原子氟(F)和氯(Cl)。同时在1H-1,2,4-三氮唑环上引入不同长度的烷基链来改善聚合物的溶解性。合成得到了PTZ-F-O、PTZ-Cl-OD、PTZ-F-OD、PTZ-OD四种聚合物,以该系列聚合物为给体材料的光伏器件的开路电压均在1.00 V以上。由于聚合物的能隙都较宽,其吸收光谱较窄,导致其短路电流密度不高,故其PSCs的PCE不高,其中基于PTZ-F-O的PSC具有最佳的PCE为2.94%;基于PBDTZ-F-OD、PTZ-F-OD和PTZ-Cl-OD的PSCs的PCE分别为1.62%,1.84%,2.01%。3、以4H-1,2,4-三氮唑作为拉电子结构单元,BDT衍生物为推电子结构单元,设计并合成了共轭聚合物PBDT-F-TIZ,这是首次将4H-1,2,4-三氮唑单元应用到PSCs,另外还合成了基于1H-1,2,4-三氮唑结构单元的相似聚合物PBDT-F-TZ来进行对比,研究聚合物分子结构的规整性对光伏性能的影响规律。研究结果表明,结构规整的聚合物PBDT-F-TIZ表现出更好的热稳定性、红移的吸收光谱、更有序的分子堆砌,因此,PBDT-F-TIZ表现出更好的光伏性能,其PSC的PCE为2.42%,高于基于PBDT-F-TZ的PSCs(PCE=1.68%)。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4;TQ317
【部分图文】：

BHJPSCs的工作原理图

图 1.2 PSCs 结构图J 器件结构1995 年，有科学家将 MEH-PPV[15]和富勒烯衍生物 PC61BM 一起混溶剂中，涂膜得到 BHJ 光敏活性层，标志着 BHJ PSCs 研究的开始

图 1.3 （a）正向器件结构 （b）反向器件结构1.2.3 聚合物太阳能电池器件的重要参数及影响因素PCE 是衡量 PSCs 商业化的最关键参数之一。然而，Voc， Jsc和 FF 是直接
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本文编号：2868044