以苯并噻吩类衍生物为给体的D-A共聚物的合成与性能
发布时间：2021-04-17 10:34
D-A共聚物是一类在分子主链中同时具有电子给体（D）单元和电子受体（A）单元的共轭共聚物。这种特殊的双极性结构赋予其较强的分子内电荷转移（ICT）能力,因而被广泛应用于聚合物太阳能电池及场效应晶体管等方面。苯并噻吩类结构具有高度共轭性和平面性及较强的供电子能力,苯并二吡咯酮结构则具有高度共轭平面性及较强的吸电子能力,因此可望用于构筑D-A共轭共聚物。本论文设计合成了三种苯并噻吩类单体,并将其作为给体单元与两种苯并二吡咯酮单体进行Stille缩聚,制备了一系列的D-A共聚物,并系统地研究了侧链修饰、共轭程度和桥接基团对共聚物光物理性质和电化学性质的影响。1.设计合成了二噻吩并苯并二噻吩（DTBDT）分子,通过烷氧基和烷基噻吩对其进行侧链修饰,得到了DTBDT（OR）单体和DTBDT（TR）单体,再分别用噻吩和苯环修饰苯并二吡咯酮（BDP）分子,得到了BDPT单体和BDPP单体。通过Stille缩聚得到了PDTBDT（OR）-BDPT,PDTBDT（TR）-BDPT,PDTBDT（OR）-BDPP和PDTBDT（TR）-BDPP四种D-A共聚物,并对聚合物结构对性能的影响进行了讨论。四种聚...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本体异质结聚合物太阳能电池示意图
青岛科技大学研究生学位论文3因为给体材料和受体材料两相必须足够接近才能使激子在重组之前到达界面发生分离。因此，通常在纳米级上混合供体和受体组分以形成本体异质结(BHJ)。这种形态学策略自提出以来[7,8]，一直是聚合物太阳能电池研究中流行的活性层结构。BHJ结构相对于双层结构来说，不仅可以保证相对较厚的活性层混合物薄膜来吸收更多的太阳光辐射，还在薄膜中存在大量的给体材料-受体材料相界面来实现有效的激子解离。BHJ薄膜通常是从混合溶液中共沉积两种半导体来制备的，并使两种材料在干燥时发生相分离，从而形成给体材料和受体材料的纳米级网络形态。1.1.3太阳能电池特性描述通常来说，电池的性能与三个参数成正比：在1个标准太阳照射下(AM1.5G100mW/cm2)的开路电压(VOC)、短路电流密度(JSC)和填充系数(FF)[9]，如图1-3所示。这些性能指标都可能受到多种不同因素的影响。JSC与吸收光子的数量、电荷重组相关的损失、电荷载流子迁移率、电荷产生的效率以及电极处的电荷收集效率有关。VOC是电池的最大电化学电势，其与供体的HOMO能级和受体的LUMO能级之间的差值有关。同时，FF会受到从设备中提取电荷的难易程度等因素的影响。在过去的几年里，为优化聚合物太阳能电池的光伏性能，一直在进行持续的研究，Huang等人最近发表的文章中PCE达到创纪录的16%[10]，表明这一技术在经济上具有可行性价值，可以适用于未来的电力能源生产。图1-3太阳能电池设备典型伏安特性Figure1-3Typicalcurrent-voltagecharacteristicforasolarcelldevice
当，以实现有效的电荷解离，并使能量损耗降至最低；(iv)溶液加工性良好，有利于器件的大规模薄膜加工。为了最大化器件性能，必须优化所有上述参数，这就需要对聚合物进行合理的分子设计，包括主链和侧链结构[18]。在半导体聚合物中，π轨道的重叠是产生带隙的主要原因，通过增强聚合物主链的平面性，可以扩展共轭长度增加轨道重叠从而减小带隙。为此，化学家已经采用了多种技术，例如使用噻吩类衍生物的稠环系统和含有共轭体系的桥接单元，以及增加醌类化合物的性质并尽量减小由于主链上的空间位阻效应所引起的链扭转。图1-4a)聚(对亚苯基)，聚噻吩和聚异噻吩的芳族和醌型共振形式；b)D-A共聚物设计理念Figure1-4a)Aromaticandquinoidresonanceformsofpoly(p-phenylene),polythio-phene,andpolyisothianaphthene；b)D-Acopolymerdesignstrategy目前，高性能的给体聚合物主要有两种设计策略，如图1-4：第一种是基于在激发态下沿聚合物链形成醌式共振结构，该结构可促进电子的离域作用。常用且最流行的构建模块是稠环系统，例如苯并噻吩类衍生物，因为它们表现出相对较大的芳香族共振稳定能量，可以用来稳定醌式结构[19]。另一种常见的设计策略是在共轭聚合物链中引入交替的给电子(D)和受电子(A)单元，这样的话可以在整个共轭主链中形成醌式中介结构(D-A→D+=A—)，从而达到电子离域的目的[18]，这种类型的共聚物，也被称之为交替D-A共轭聚合物。由于富电子单元(D)的HOMO轨道与相邻的缺电子单元(A)的LUMO轨道之间存在重叠，因此表现出沿着共轭主链的优秀的分子内电荷转移作用(ICT,intramolecularchargetransferinteraction)[19]。聚合物的HOMO能级主要由富电子单元(D)的HOMO能级控制，而聚合物的LUMO能级主要由缺电子单元(A)的LUMO能级控制。因?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Achieving over 16% efficiency for single-junction organic solar cells[J]. Baobing Fan,Difei Zhang,Meijing Li,Wenkai Zhong,Zhaomiyi Zeng,Lei Ying,Fei Huang,Yong Cao. Science China（Chemistry）. 2019(06)
本文编号：3143300
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本体异质结聚合物太阳能电池示意图
青岛科技大学研究生学位论文3因为给体材料和受体材料两相必须足够接近才能使激子在重组之前到达界面发生分离。因此，通常在纳米级上混合供体和受体组分以形成本体异质结(BHJ)。这种形态学策略自提出以来[7,8]，一直是聚合物太阳能电池研究中流行的活性层结构。BHJ结构相对于双层结构来说，不仅可以保证相对较厚的活性层混合物薄膜来吸收更多的太阳光辐射，还在薄膜中存在大量的给体材料-受体材料相界面来实现有效的激子解离。BHJ薄膜通常是从混合溶液中共沉积两种半导体来制备的，并使两种材料在干燥时发生相分离，从而形成给体材料和受体材料的纳米级网络形态。1.1.3太阳能电池特性描述通常来说，电池的性能与三个参数成正比：在1个标准太阳照射下(AM1.5G100mW/cm2)的开路电压(VOC)、短路电流密度(JSC)和填充系数(FF)[9]，如图1-3所示。这些性能指标都可能受到多种不同因素的影响。JSC与吸收光子的数量、电荷重组相关的损失、电荷载流子迁移率、电荷产生的效率以及电极处的电荷收集效率有关。VOC是电池的最大电化学电势，其与供体的HOMO能级和受体的LUMO能级之间的差值有关。同时，FF会受到从设备中提取电荷的难易程度等因素的影响。在过去的几年里，为优化聚合物太阳能电池的光伏性能，一直在进行持续的研究，Huang等人最近发表的文章中PCE达到创纪录的16%[10]，表明这一技术在经济上具有可行性价值，可以适用于未来的电力能源生产。图1-3太阳能电池设备典型伏安特性Figure1-3Typicalcurrent-voltagecharacteristicforasolarcelldevice
当，以实现有效的电荷解离，并使能量损耗降至最低；(iv)溶液加工性良好，有利于器件的大规模薄膜加工。为了最大化器件性能，必须优化所有上述参数，这就需要对聚合物进行合理的分子设计，包括主链和侧链结构[18]。在半导体聚合物中，π轨道的重叠是产生带隙的主要原因，通过增强聚合物主链的平面性，可以扩展共轭长度增加轨道重叠从而减小带隙。为此，化学家已经采用了多种技术，例如使用噻吩类衍生物的稠环系统和含有共轭体系的桥接单元，以及增加醌类化合物的性质并尽量减小由于主链上的空间位阻效应所引起的链扭转。图1-4a)聚(对亚苯基)，聚噻吩和聚异噻吩的芳族和醌型共振形式；b)D-A共聚物设计理念Figure1-4a)Aromaticandquinoidresonanceformsofpoly(p-phenylene),polythio-phene,andpolyisothianaphthene；b)D-Acopolymerdesignstrategy目前，高性能的给体聚合物主要有两种设计策略，如图1-4：第一种是基于在激发态下沿聚合物链形成醌式共振结构，该结构可促进电子的离域作用。常用且最流行的构建模块是稠环系统，例如苯并噻吩类衍生物，因为它们表现出相对较大的芳香族共振稳定能量，可以用来稳定醌式结构[19]。另一种常见的设计策略是在共轭聚合物链中引入交替的给电子(D)和受电子(A)单元，这样的话可以在整个共轭主链中形成醌式中介结构(D-A→D+=A—)，从而达到电子离域的目的[18]，这种类型的共聚物，也被称之为交替D-A共轭聚合物。由于富电子单元(D)的HOMO轨道与相邻的缺电子单元(A)的LUMO轨道之间存在重叠，因此表现出沿着共轭主链的优秀的分子内电荷转移作用(ICT,intramolecularchargetransferinteraction)[19]。聚合物的HOMO能级主要由富电子单元(D)的HOMO能级控制，而聚合物的LUMO能级主要由缺电子单元(A)的LUMO能级控制。因?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Achieving over 16% efficiency for single-junction organic solar cells[J]. Baobing Fan,Difei Zhang,Meijing Li,Wenkai Zhong,Zhaomiyi Zeng,Lei Ying,Fei Huang,Yong Cao. Science China（Chemistry）. 2019(06)
本文编号：3143300
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3143300.html
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