二烷硫基噻吩-二噻并苯并二噻吩基共轭聚合物的合成与研究

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活性层材料是聚合物太阳能电池器件的核心部分，其性能的优化和改善对提高太阳能电池器件的效率有着很重要的意义。通过对活性层中的给体材料的优化设计，可以得到光电性能优异的有机太阳能电池器件。本文是在DTBDT单元的5，10位上引入噻吩硫的烷基侧链，首次合成出一种新的电子给体单元DTBDT-TS。将给体单元DTBDT-TS与受体单元（2，1，3-苯并噻二唑/5，6-双氟代2，1，3-苯并噻二唑、萘并[1，2-c∶5，6-c']双[1，2，5]噻二唑、噻并异靛蓝等的衍生物）通过Stille偶联反应合成出了系列窄带隙D-A型共聚物，并对聚合物的热稳定性、吸收光谱和电化学性能进行表征;对聚合物的分子最优模型、二面角和HOMO、LUMO能级轨道进行估算，对聚合物的光伏性能进行初步的研究。
　　首先，将烷硫基噻吩侧链引入到DTBDT单元上，制备了电子给体单元DTBDT-TS。以DTBDT-TS与缺电单元BT与FBT，2-丁基辛基噻吩作共轭π桥，通过Stille偶合得到两种窄带隙共轭聚合物PDTBDT-TS-DTBT和PDTBDT-TS-DTFBT。表征结果表明共轭聚合物PDTBDT-TS-DTBT和PDTBDT-TS-DTFBT在300-800 nm范围对太阳光有吸收，光学带隙分别为1.67和1.68 eV，LUMO分别为-3.55和-3.71 eV; HOMO分别为-5.22和-5.39eV。但是在溶解性能实验中发现上述聚合物在常用有机溶剂中溶解性差。因此引入更大烷基侧链(2-辛基十二烷基)，通过对受体单体的优化设计来改善聚合物的溶解性，成功合成了两种溶液加工性能改善的聚合物PDTBDT-TS-DTBT2和PDTBDT-TS-DTFBT2，并且热稳定性没有降低、光学带隙略有增大、能级保持恒定。聚合物太阳能器件结构为ITO/PFN/Polymer∶PC61BM/MoO3/Ag。聚合物太阳能电池光活性层PDTBDT-TS-DTBT2∶PC61BM=1∶1.5共混膜，同时加入3％ DIO时，器件的光电转换效率PCE最高为3.47％(其VOC=0.81 V，JSC=6.53 mA/cm2，FF=65.69％)。聚合物太阳能电池光活性层PDTBDT-TS-DTFBT2∶PC61BM的质量比为1∶1.5，同时加入3％ DIO时，器件的光电转换效率PCE最高为4.61％(其VOC=0.88 V，JSC=9.27 mA/cm2，FF=56.48％)。含氟取代的聚合物表现出更为优异的光伏性能和更好的分子平面性，有利于载流子的传输，从而获得高的短路电流，最终获得较高的能量转换效率。
　　其次，将给体单元DTBDT-TS与受体单元DTNTHD通过Stille偶联反应得到聚合物PDTBDT-TS-DTNTHD，该聚合物有良好的成膜加工性能，热分解温度为347℃，在可见光区有较强的吸收，吸收范围从300至800 nm，薄膜状态下的最大吸收峰位于672nm处，光学带隙为1.67 eV。HOMO和LOMO能级分别为-5.35和-3.68 eV。以PDTBDT-TS-DTNTHD∶PC61BM共混膜为活性层，加入3％ DIO后器件的开路电压和短路电流均增大，获得能量转换效率最高为2.03％（其VOC=0.78 V，JSC=6.80 mA/cm2，FF=38.3％）。
　　再次，将给体单元DTBDT-TS与受体单元TIID通过Stille偶联反应得到聚合物PDTBDT-TS-TIID，该聚合物具有良好的成膜加工性能，热分解温度为344℃。聚合物PDTBDT-TS-TIID的光学带隙仅为1.28 eV，在可见光区内有较强的吸收，吸收范围从300拓展至1000 nm，HOMO和LUMO能级分别为-5.28和-4.00 eV。以PDTBDT-TS-TIID∶PC61BM=1∶1.5共混膜为活性层，加入3％ DIO制备的太阳能器件能量转换效率最高为0.66％(其VOC=0.47 V，JSC=3.13 mA/cm2，FF=44.84％)。

著录项

作者
李明娇;
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作者单位

兰州交通大学;

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授予单位兰州交通大学;
学科材料物理与化学
授予学位硕士
导师姓名夏养君;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类太阳能电池;
关键词
太阳能电池; 共轭聚合物; 烷硫基噻吩; 能量转换效率;

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