基于烷氧基噻吩取代的苯并二噻吩和环戊二噻吩螺芴的有机太阳能电池材料的合成及其光伏性质研究

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有机/聚合物太阳能电池近年来发展很快，其中有机给体材料是研究的热点。D-A型共轭聚合物和A-D-A型有机共轭小分子是有机给体材料中最具代表性的两类材料。它们的设计、合成及其光电性能的调控是目前有机太阳能电池领域研究的重点及焦点之一。本论文以获得高效有机/聚合物给体材料为出发点，设计合成了系列基于烷氧基噻吩取代苯并二噻吩（BDT）的新型D-A结构共轭聚合物和系列基于环戊二噻吩螺芴共轭有机小分子给体材料。详细地研究了这些有机/聚合物给体材料的光物理、电化学和光伏性能。主要的研究工作如下：
　　1.设计并合成了3,4-二甲氧基噻吩取代BDT的给电子单元BDTOT，通过与氟代苯并噻二唑（FBT）、苯并噻二唑（BT）和吡咯并吡咯二酮（DPP）共聚，获得了系列基于BDTOT的新型D-A共轭聚合物PBDTOT-FBT、PBDTOT-BT和PBDTOT-DPP。研究结果表明，通过3,4-二甲氧基噻吩的引入和与不同强度的吸电子单元的共聚，可实现对该系列D-A共聚物的吸收光谱、前线分子轨道能级和载流子迁移率的有效调控。同时3,4-二甲氧基噻吩的引入有利于增加BDT单元的给电子能力，在保证获得较低HOMO能级的基础上，进一步拓宽所得D-A共聚物的吸收光谱，获得高的VOC、JSC和能量转换效率（PCE）。基于三个聚合物太阳能电池的PCE分别为4.48％、2.47%、3.05%。
　　2.设计并合成了3,4-二甲氧基噻吩，3-甲氧基噻吩和3，4-乙烯二氧噻吩取代的BDT给电子单元BDT-DMT，BDT-MT和BDT-ET。分别与氟代苯并噻二唑（FBT）共聚，获得了系列D-A共轭聚合物PDMT-FBT，PMT-FBT和PET-FBT。通过与不含烷氧基噻吩侧链的对应聚合物PBDTT-FBT对比研究，探讨了烷氧取代基对聚合物分子结构、光物理、电化学和光伏性能的影响。研究表明，烷氧基的引入增大了聚合物分子的位阻效应，使聚合物的吸收光谱发生轻微蓝移，但是却降低了HOMO能级，得到了高VOC，有利于提高材料PCE。基于PDMT-FBT，PMT-FBT和PET-FBT的PCE分别为4.48%、3.29%和2.40%。
　　3.设计并合成了以环戊[1,2-b:5,4-b']二噻吩螺-4,9'-芴为D，茚酮、绕单宁和氰基绕单宁分别为A，联三噻吩为π桥的三个A-π-D-π-A型有机小分子给体材料SFYT，SFRDN和SFRCN。详细研究了新型螺旋给电子单元环戊[1,2-b:5,4-b']二噻吩螺-4,9'-芴和不同吸电子单元A对分子的光物理、电化学和光伏性能的影响。通过研究表明：A-π-D-π-A型小分子光伏材料中，中心基团的螺环结构可以降低材料的HOMO能级；一定程度上改善分子的堆积态，提高JSC和FF，进一步提高材料的PCE；同时吸电子的端基 A对该类材料的光伏性能具有重要影响，通过选用不同吸电子能力的A基团可实现对小分子材料的光电性能的有效调控。基于SFYT，SFRDN和SFRCN的PCE分别为6.68%、3.30%和4.33%。

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作者
王文功;
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作者单位

湘潭大学;

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授予单位湘潭大学;
学科化学
授予学位硕士
导师姓名沈平;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类聚酯树脂及塑料;
关键词
有机太阳能电池; 共轭聚合物; 苯并二噻吩; 环戊二噻吩螺芴; 光伏性能;

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