聚合物太阳能电池材料的设计合成与性能研究

论文摘要

随着能源危机的日益严重，人们越来越重视太阳能的开发和利用。聚合物太阳能电池由于质量轻、制备工艺简单、价格便宜、柔性等特点受到广泛的关注。但是与无机太阳能电池相比，聚合物太阳能电池的光电转化效率比较低。这就需要对聚合物材料不断改进，使其具有宽的吸收光谱以及高的载流子迁移率。本文设计合成了一系列新型给体（D）-受体（A）结构的共轭聚合物，通过核磁氢谱和碳谱确证了聚合物的结构，用凝胶色谱法（GPC）测试了其分子量，并研究了聚合物的热稳定性能、光物理性能以及电化学性能。（1）设计合成了一系列侧链为噻吩乙烯基、苯乙烯基、三苯胺乙烯基和二苯胺乙烯基的苯并噻二唑衍生物，与带烷氧基侧链的苯并二噻吩衍生物通过Stille偶合反应合成了5个新型D-A结构的共聚物PBDBDT1、PBDBDT2、PBDBDT3、PBDBDT4和PBDBDT5。它们的热分解温度达到了330℃以上，具有较好的热稳定性能。这类聚合物在紫外区和可见光区具有两个吸收峰，聚合物薄膜的最大吸收峰分别为601nm、597nm、603nm、587nm和606nm，同时具有宽的吸收光谱，覆盖了整个可见光区。这5个聚合物具有比较低的能带隙，都在1.65eV以下，与光学能带隙的测试结果比较接近。（2）合成了带噻吩侧链的苯并二噻吩衍生物，与苯并噻二唑衍生物通过Stille偶合反应合成了5个新型D-A结构的共聚物PBTBDT1、PBTBDT2、PBTBDT3、PBTBDT4和PBTBDT5，它们的热分解温度都达到了400℃以上，显示了好的热稳定性能。这类聚合物在紫外区和可见光区具有三个吸收峰，聚合物薄膜的最大吸收峰分别为620nm、604nm、613nm、604nm和613nm，同时取得了较宽的吸收光谱，覆盖了整个可见光区。这5个聚合物的电化学能带隙都低于1.65eV，属于低能隙聚合物，与光学能带隙的测试结果比较接近。与基于带烷氧基侧链的苯并二噻吩共聚物相比，基于带噻吩侧链的苯并二噻吩共聚物的吸收更红移。（3）合成了二噻吩并吡啶衍生物单体，并与苯并噻二唑衍生物通过Stille偶合反应合成了新型D-A结构的共聚物PBDTP1、PBDTP2、PBDTP3、PBDTP4和PBDTP5。通过热稳定性测试，这些聚合物都具有较高的热分解温度。利用紫外-可见分光光度计分析出聚合物PBDTP1、PBDTP2、PBDTP3、PBDTP4和PBDTP5薄膜的最大吸收峰分别为597nm、578nm、574nm、530nm和544nm，同时具有较宽的吸收光谱，覆盖了整个可见光区。从循环伏安测试结果可以显示这5个聚合物具有较低的能带隙，与光学能带隙的测试结果比较接近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物太阳能电池的发展
• 1.3 聚合物太阳能电池的器件结构
• 1.4 聚合物太阳能电池的工作原理
• 1.4.1 吸收光子产生激子
• 1.4.2 激子扩散
• 1.4.3 电荷分离
• 1.4.4 电荷传输
• 1.4.5 电荷收集
• 1.4.6 聚合物太阳能电池的特性
• 1.5 聚合物能带隙宽度对光电转换效率的影响
• 1.6 共轭聚合物光伏材料
• 1.6.1 聚对苯撑乙烯（PPV）及其衍生物
• 1.6.2 聚噻吩（PTH）及其衍生物
• 1.6.3 基于苯并噻二唑以及苯并噻二唑衍生物的共聚物
• 1.6.4 基于其它基元的共聚物
• 1.6.5 共轭聚合物作为受体材料
• 1.7 论文的研究内容和创新点
• 第2章 含 4,8-二烷氧基苯并二噻吩共聚物的合成与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂及测试
• 2.2.2 单体和聚合物的合成
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 单体和聚合物的合成
• 2.3.2 热稳定性分析
• 2.3.3 紫外-可见吸收光谱
• 2.3.4 循环伏安分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 含 4,8-二噻吩苯并二噻吩共聚物的合成与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂及测试
• 3.2.2 单体和聚合物的合成
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 单体和聚合物的合成
• 3.3.2 热稳定分析
• 3.3.3 紫外-可见吸收光谱
• 3.3.4 循环伏安分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 含二噻吩并吡啶共聚物的合成与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂及测试
• 4.2.2 单体和聚合物的合成
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 单体和聚合物的合成
• 4.3.2 热稳定分析
• 4.3.3 紫外-可见吸收光谱
• 4.3.4 循环伏安分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的论文
• 致谢
• 附录 1 实验所用试剂及其纯化方法
• 附录 2 实验所用仪器及检测仪器
• 附录 3 单体和聚合物的核磁谱图