配合物双光子吸收材料和聚合物太阳能电池材料的设计、合成及性能研究

论文摘要

双光子吸收现象是一种三阶非线性光学性质。有机双光子吸收材料的研究是非线性光学材料研究的一个新的前沿课题,也有重要的应用前景。太阳能电池是一种新能源,而聚合物太阳能电池由于诸多潜在的优越性成了当前太阳能电池研究的新的热点。这两种材料虽然有不同的物理原理和应用范围,但都属于光活性材料,也都是有机光电材料。特别是从化学的角度看,这两种材料在分子结构上有很大的共同之处：都具有大π共轭体系。因此,本论文分别对这两种具有共同的分子结构特征的材料进行研究。本论文内容分为两部分。第一部分（包括第二至六章）是关于新型有机三阶NLO材料的分子设计、合成、结构和光学性能,重点对Salen配合物的双光子吸收性能进行了研究,希望探索配合物的结构和双光子吸收性质之间的关系,并探索新型高效的有机双光子吸收材料。第二部分（第七、八章）是关于主链D-A型交替共聚和主侧链均含有D-A结构的聚合物太阳能电池给体材料的分子设计、合成、结构和由它们构造的本体异质结型太阳能电池器件性能。论文各章的主要内容和成果如下：第一章是绪论。首先简要介绍了双光子吸收材料和聚合物太阳能电池的基本概念、背景知识和主要应用前景,分别综述了有机和配合物双光子吸收材料和聚合物太阳能电池材料的研究进展,以及它们的结构-性能关系的研究情况,在此基础上提出了本论文的设计思想和研究内容。在第二章中,我们通过对水杨醛的修饰,设计并合成了一系列连有不同推拉电子基团的结构简单的Ni-Salen和Cu-Salen配合物,鉴定了它们的结构。用ND-2PA方法测试了它们的三阶非线性光学性能。结果表明,其中一些在分子结构两端连有强推拉电子基团的配合物表现出了一定的双光子吸收效应,为我们下一步的研究工作确立了方向。在前一工作的基础上,我们在第三章设计并合成了一系列具有大的共轭体系的M-Salen配合物,中心金属为Cu（Ⅱ）和Ni（Ⅱ）,鉴定了这些新化合物的结构,并分别通过ND-2PA方法和开孔Z-scan技术测试了它们的双光子吸收性能。研究发现,这些配合物均具有不同程度的双光子吸收效应,其中一些共轭体系较大的配合物的双光子吸收截面值达到了3000GM,具有一定的应用前景。分析和讨论了分子结构对双光子吸收性能的影响。在第四章中,我们在Salen配体中分别引入噻吩、联二嘛吩、联三噻吩和并三噻吩结构单元,设计并合成了若干含噻吩结构的Ni-Salen和Cu-Salen配合物,鉴定了它们的结构,研究了它们的单光子和双光子光学性质,其中含有联三噻吩结构单元的配合物S-29的双光子吸收截面值达到了2000GM。此外,我们还详细讨论了分子结构对线性和非线性光学性质的影响。在第五章我们分别以碳-碳单键、双键和三键为共轭桥将三苯胺与M-Salen中心连接,合成了若干类型Ni-Salen和Cu-Salen配合物,表征了它们的结构,测试了它们的单光子性质,再分别通过ND-2PA方法和开孔Z-scan技术测试其双光子吸收性质。其中有三个配合物的双光子吸收截面值都在1000GM以上,最大的达到1935GM。详细比较了以碳-碳单键、双键和三键为共轭桥的体系之间的线性和非线性光学性质的不同,并对其原因进行了探讨。第六章设计并合成了一类以对硝基苯、二茂铁或咔唑为端基的A’-π-A-π-A’或D-π-A-π-D型M-Salen配合物,鉴定了它们的结构,并研究了它们的单光子和双光子光学性质。详细比较了含有不同端基的分子之间的线性和非线性光学性质的不同,并对其原因进行了分析。在第七章我们分别以二噻吩并毗咯、二噻吩并苯和亚烷基芴单元为给体、以isoindigo单元和DPP单元为受体,合成了三个新的D-A型聚合物,对它们进行了结构鉴定,表征了其光学、电学和热稳定性质,并制备了它们的太阳能电池器件详细讨论了各种因素（包括能级、光谱吸收范围、成膜性等）对聚合物的太阳能电池器件的性能的影响。在第八章我们设计并合成了主链以DPP单元与三苯胺（或咔唑）交替连接、在三苯胺（或咔唑）的侧链引入强受体基团丙二腈的新型聚合物,对它们进行了结构鉴定,表征了其光学、电学和热稳定性质,并制备了它们的太阳能电池器件。详细探讨了它们的结构-性能关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 双光子吸收材料概论
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 双光子吸收的定义和机理
• 1.1.3 双光子吸收性质的检测方法
• 1.1.3.1 双光子诱导荧光（TPEF）法
• 1.1.3.2 Z-扫描法
• 1.1.3.3 非简并双光子吸收光谱测量技术（ND-2PA）
• 1.1.4 双光子吸收材料的分子设计及构/性关系研究
• 1.1.4.1 一维线性小分子化合物
• 1.1.4.2 多枝结构的化合物
• 1.1.4.3 卟啉及其类似化合物
• 1.1.4.4 金属配合物
• 1.2 聚合物太阳能电池材料概论
• 1.2.1 引言
• 1.2.2 本体异质结太阳能电池（BHJ）
• 1.2.2.1 本体异质结太阳能电池的器件结构及工作原理
• 1.2.2.2 太阳能电池中常用表征参数
• 1.2.3 主链上给受体交替共聚（D-A）型高分子
• 1.2.4 侧链上引入吸电子基团的高分子
• 1.2.5 主链与侧链通过共轭相连的高分子
• 1.2.6 富勒烯衍生物
• 1.3 本论文的设计思想和主要内容
• 1.3.1 关于双光子吸收材料研究的思路和主要内容
• 1.3.2 关于聚合物太阳能电池材料研究的思路和主要内容
• 参考文献
• 第二章 M-Salen类简单配合物的合成及其双光子吸收效应的初步探索
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂、测试仪器与条件
• 2.2.2 化合物的合成
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 化合物的合成与结构鉴定
• 2.3.2 化合物的紫外-可见吸收光谱与理论计算研究
• 2.3.3 化合物的双光子吸收性能的初步研究
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 具有大共轭体系的M-Salen类配合物的合成及其结构与双光子吸收性能关系的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 化合物的合成
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 化合物的合成与结构鉴定
• 3.3.2 化合物的紫外-可见吸收光谱
• 3.3.3 化合物的双光子吸收性能
• 3.3.3.1 化合物的ND-2PA测试
• 3.3.3.2 化合物的开孔Z-scan测试
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 含不同噻吩组分的M-Salen配合物的合成、结构及其与双光子吸收性能的关系
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂、测试仪器与条件
• 4.2.2 化合物的合成
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 化合物的合成与结构鉴定
• 4.3.2 部分化合物的热稳定性测试
• 4.3.3 部分化合物的电化学性质
• 4.3.4 化合物的紫外-可见吸收光谱
• 4.3.5 化合物的双光子吸收性能
• 4.3.5.1 化合物的ND-2PA测试结果与分析
• 4.3.5.2 化合物的Z-scan测试结果与分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 三苯胺与M-Salen中心通过不同碳-碳键连接的配合物的合成、结构及其与双光子吸收性能的关系
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂与仪器
• 5.2.2 化合物的合成
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 化合物的合成与结构鉴定
• 5.3.2 化合物的紫外-可见吸收光谱
• 5.3.3 化合物的双光子吸收性能
• 5.3.3.1 ND-2PA测试结果与分析
• 5.3.3.2 Z-scan测试结果与分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 D-π-A-π-D和A'-π-A-π-A'型M-双Salen配合物的合成、结构及其与双光子吸收性能的关系
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂、测试仪器与条件
• 6.2.2 化合物的合成
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 化合物的合成与结构鉴定
• 6.3.2 化合物的紫外-可见吸收光谱
• 6.3.3 化合物的双光子吸收性能
• 6.3.3.1 化合物的ND-2PA测试结果与分析
• 6.3.3.2 化合物的Z-scan测试结果与分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 主链D-A交替共聚的聚合物太阳能电池材料的合成及性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 试剂与仪器
• 7.2.2 聚合物太阳能电池器件的制备和性能测试
• 7.2.3 化合物的合成
• 7.2.3.1 单体的合成
• 7.2.3.2 聚合物的合成
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 关于化合物的合成
• 7.3.2 聚合物的热重与分子量测试
• 7.3.3 聚合物的紫外-可见吸收光谱
• 7.3.4 聚合物的电化学性质
• 7.3.5 聚合物的太阳能电池器件结果与分析
• 7.3.6 聚合物：PCBM层薄膜的原子力显微镜图
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 主侧链均含有D-A结构的聚合物太阳能电池材料的合成及性能研究
• 8.1 引言
• 8.2 实验部分
• 8.2.1 试剂与仪器
• 8.2.2 化合物的合成
• 8.2.2.1 单体的合成
• 8.2.2.2 聚合物的合成
• 8.2.3 聚合物太阳能电池器件的制备和性能测试
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 化合物的合成与鉴定
• 8.3.2 聚合物的热重与分子量测试
• 8.3.3 聚合物的紫外-可见吸收光谱
• 8.3.4 聚合物的电化学性质
• 8.3.5 聚合物的太阳能电池器件结果分析
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 总结
• 附录 作者在攻读博士学位期间发表论文情况
• 致谢