基于苯并二噻吩二酮的D-A型齐聚物及聚合物给体材料的合成及性能研究

发布时间：2020-06-23 12:06

【摘要】：随着经济社会的发展,能源危机和环境污染日益严重,开发清洁、安全、无污染、可持续发展的新能源已经迫在眉睫。同其他新型环保能源相比,如水能、风能、地热能、潮汐能等,太阳能具有来源丰富、不受地域限制、无噪音、无污染等优点,如何高效利用太阳能已成为科学家们研究的重要课题。其中,有机太阳能电池(OSCs)具有成本低、质量轻、可柔性制备等优点受到了广泛的关注和研究。本论文系统介绍了有机太阳能电池的发展历程、工作原理,以及基于苯并二噻吩(BDT)单元、苯并噻二唑(BT)单元、苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)单元和齐聚物有机太阳能电池材料的研究现状。针对目前有机太阳能电池高能量转换效率的给体材料种类较少、分子结构与性能之间的关系尚不确定等科学问题,设计合成了基于苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)单元的D-A型齐聚物和聚合物太阳能电池给体材料,并表征了它们的分子结构,系统研究了它们的光物理性能、电化学性能、电荷传输性能及其在溶液加工型本体异质结(BHJ)有机光伏(OPV)器件中的活性层形貌和光伏性能,并且利用理论计算模拟了这些给体材料的能级和最优的分子结构,初步揭示了 D-A型齐聚物和聚合物光伏材料的分子结构与轨道能级、光物理、电化学、电荷传输、光伏等性能的关系,获得了性能优良的齐聚物和聚合物给体材料。本论文的研究内容和研究结果如下:(1)设计合成了基于噻吩给体单元与苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)受体单元,具有D-(A-D)n(n = 2,3,4)结构的齐聚物给体材料。系统地研究了 D-A重复单元的数量对齐聚物的光谱吸收、电化学能级以及光伏性能的影响。研究发现,随着D-A单元个数的增加,齐聚物在溶液中的摩尔吸光系数也随之增大,吸收光谱红移,HOMO能级升高。其中5T4BDD由于较大的共轭度,更宽的吸收光谱,表现了更好的光伏性能,与PC71BM受体共混的BHJ-OPV器件PCE为0.51%。(2)设计合成了基于二维苯并二噻吩(BDT)给体单元,苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)体单元,具有D-(A-D)n(n = 1,2)结构的小分子和齐聚物给体材料。通过与小分子进行对比,系统研究了 D-A重复单元的个数对分子的光物理、电化学、分子平面性、分子间的堆积行为以及光伏性能的影响。其中D-(A-D)2结构的齐聚物显示了更强的堆积行为,表现出了更好的光伏性能,与受体ITIC共混的BHJ-OPV器件PCE达到了 7.89%,其开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)和填充因子(FF)分别为 0.90 V、13.23 mA/cm2 和 65.6%。(3)设计合成了以苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)和苯并噻二唑(BT)以及氟取代的苯并噻二唑(2FBT)为双受体A1和A2单元,设计合成了一系列具有(A1-A2)n型双受体聚合物给体材料,系统研究了氟原子取代对双受体聚合物热稳定性、光物理、电化学性能以及光伏性能的影响。研究结果表明,氟原子的引入可以降低分子的最高占有轨道(HOMO)能级。基于苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)和苯并噻二唑(BT)的(A1-A2)n型双受体聚合物给体材料具有很好溶解性和电荷传输性能,其中聚合物PBDDBT由于具有较好的成膜性和合适的聚集能力显示了更好的光伏性能,与PC71BM受体共混的BHJ-OPV器件PCE为1.59%。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O631
【图文】：

有机太阳能电池,异质结,器件

逦湘潭大学２０１８届硕士学位论文逦逡逑两个不同功函数的电极之间，制备了第一个有机光电转化器件。然而器件的开路逡逑电压仅为２００邋ｍＶ，器件的光电转化效率非常低［１７］。逡逑１９８６年，美国柯达公司邓青云博士使用酞菁铜（ＣｕＰｃ）为给体（Ｄ）材料、四羧逡逑基茈类衍生物（ＰＶ）为受体（Ａ）材料制备了能量转换效率接近１％的以给／受体材料逡逑为双层结构的有机光伏器件（如图１．１所示）［１＼揭开了有机太阳能电池研宄的新逡逑篇章。逡逑

示意图,有机太阳能电池,工作原理,示意图

１．３有机太阳能电池技术简介逡逑１．３．１有机太阳能电池工作的基本原理逡逑图１．２为给体／受体组成的有机太阳能电池工作机理示意图。可以看出，器件逡逑产生光伏效应的过程主要分为五个步骤［２３，２４］：逡逑（１）

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