基于氟代苯并杂环共轭聚合物的合成及光电性能

发布时间：2017-12-12 17:27

  本文关键词：基于氟代苯并杂环共轭聚合物的合成及光电性能

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【摘要】：共轭聚合物由于具有质量轻、柔性、价格便宜、可制作成大面积等特点,引起了学术界和工业界的广泛关注。经过二十多年的发展,共轭聚合物已经在有机发光二极管,有机太阳电池,有机场效应晶体管等领域得到广泛应用。尽管聚合物太阳电池的光电转化效率已经达到11%的里程碑,但大部分的研究都将精力集中在发展窄带系给体材料中,而对宽带系或中等带隙给体研究仍然较少。另外,一种区域规整化学的理念被广泛应用于共轭聚合物结构设计中。在区域规整共轭聚合物中,结构单元沿着主链方向是严格按照一定的顺序排列的,与其对应的区域非规整聚合物相比,区域规整共轭聚合物有着更优的吸收、堆积以及迁移率,其相关的有机电子器件均表现出优异的性能。苯并[c][1,2,5]噻二唑(BT)是一种优秀的吸电子单元,若在BT单元5位与6位上均引入氟原子,即5,6-二氟苯并[c][1,2,5]噻二唑(FBT),就赋予了这种单元一种“氟效应”,对于聚合物太阳电池或有机场效应晶体管,这种效应包括更低的分子轨道能级、更有序的分子间堆积以及更高的载流子迁移率等。而对于FBT单元,有两种重要的衍生物:5,6-二氟苯并[d][1,2,3]三唑(FBTz)与5-氟苯并[c][1,2,5]噻二唑(fBT)。对于FBTz,将FBT上的S原子换成N原子后,可以提供一个烷基链修饰位点,这样可以增加聚合物的溶解性同时减小对主链平整性的影响。另外,FBTz的吸电子性能有所减弱,可作为一类优秀的单元用于构建宽带系给体材料;对于fBT,在FBT上去除一个F原子,这造成fBT本身化学结构的不对称,可用于构建高效的区域规整共轭聚合物。本文第二章,通过Suzuki缩聚反应合成了一系列基于吲哚[3,2-b]咔唑和5,6-二氟苯并[d][1,2,3]三唑的共轭聚合物给体材料PICz-TFBTZ、PICz-SFBTZ,制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/Polymer:PCBM/PFN/Al的聚合物太阳电池。两种聚合物与PC61BM按1:2(wt:wt),共混作为活性层制得的聚合物太阳电池,能量转换效率分别为1.01%和2.39%。利用两种聚合物制备了Au/polymer/CYTOP/Al的有机场效应晶体管,PICz-TFBTZ和PICz-SFBTZ的迁移率分别为0.0014和0.01 cm2 V-1 s-1。通过原子力显微镜分析聚合物与富勒烯衍生物共混薄膜形貌表明,硒吩取代噻吩作为桥单元有利于改善太阳电池活性层的的相分离,促进载流子传输,从而提高电池器件的短路电流密度。这些结果表明,选择适合的桥单元对于提升共轭聚合物的光电性能有着重要影响。本文第三章,通过Stille聚合反应合成了两种基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩并[3,2-b]噻吩与二氟苯并噻二唑或二氟苯并噻三唑交替共聚物PDTBDT-FBT和PDTBDT-FBTz。将两种聚合物作为聚合物太阳电池给体材料,制备结构为ITO/PEDOT:PSS/Polymer:PC71BM/Ca/Al的光伏器件,聚合物PDTBDT-FBT与PDTBDT-FBTz的光电转化效率分别为5.55%(VOC=0.95 V,JSC=9.32 mA cm-2,FF=62.7%)与PCE=7.45%(VOC=0.98 V,JSC=12.76 mA cm-2,FF=59.6%)。本文第四章研究了单氟取代对基于芴与苯并[c][1,2,5]噻二唑共轭聚合物光电性能的影响。我们首先设计与合成了两种基于芴与苯并[c][1,2,5]噻二唑或5-氟苯并[c][1,2,5]噻二唑的模型分子F1-BT-F1与F1-f BT-F1。通过单晶研究和分子的计算均表明,氟原子取代仅增大对与之相邻的芴单元间的二面角,同时,二面角的增大也破坏了分子的共轭长度,是其吸收光谱与发射光谱均发生蓝移。其次,通过单体的精确控制实现基于5-氟苯并[c][1,2,5]噻二唑与芴的区域规整共轭聚合物F8fBT的合成。相比F8BT,F8fBT的吸收光谱与PL光谱均发生蓝移,而且,其单线态能级与三线态能级差减小。进一步通过拉曼光谱研究证明F8fBT在聚合物主链有着更宽的构象分布。通过原子力显微镜和掠入射X射线衍射研究,两种聚合物在固体薄膜均呈现无定形的纤维状结构。通过单载流子器件表征,引入氟原子后,聚合物F8BT从p型材料转变为n型材料的F8fBT。而基于两种聚合物的有机发光二极管性能相近,F8fBT的EL光谱均呈现更典型的绿光发射。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4;O631

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本文编号：1283334