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低能带隙、低HOMO能级的给/受体聚合物太阳能电池材料的设计、合成及光伏性能

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摘要

聚合物太阳能电池具有重量轻、成本低、可大面积成膜、柔性以及性能可调控等优点。共轭聚合物是聚合物太阳能电池的材料基础，设计和合成综合性能优良的新型聚合物材料对提高聚合物太阳能电池性能和能量转化效率具有非常重要的意义。本论文通过合成不同的给体单元和受体单元，合成了一系列新型的，尤其含有强吸电子内酰亚胺和内酰胺基团的低能带隙聚合物，同时实现了材料的低能带隙、低HOMO能级并研究了分子结构与材料光电性能的关系以及对光伏器件性能的影响，主要内容如下：
　　 1.本论文第二章以3，4-乙撑二氧噻吩(EDOT)为电子给体单元，以喹啉胺和噻二唑喹啉胺为受体单元，合成了EDOT-喹啉胺和EDOT-噻二唑喹啉胺共轭聚合物，聚合物有良好的热稳定性。研究了聚合物的光物理性质、电化学性质以及光伏性能，以这些聚合物为给体材料，富勒烯衍生物PC61BM为受体材料，制备了本体异质结聚合物太阳能电池器件，能量转化效率最高为0.6％，开路电压为0.52 V，短路电流为3.24 mn/cm2。
　　 2.利用在受体单元上引入强吸电子基团来降低聚合物的HOMO能级，本论文第三章合成了一种含有强吸电子内酰亚胺基团的受体单元邻苯二甲酰亚胺衍生物。以苯并[1，2-b：4，5-b’]二噻吩为给体单元，合成了新型共轭聚合物PBDTPh和PBDTPhBT。紫外可见吸收光谱表明聚合物在可见光部分有强的吸收峰，电化学测试表明聚合物有低的HOMO能级。以聚合物为给体材料，富勒烯衍生物PC71BM为受体材料，制备了本体异质结聚合物太阳能电池器件，器件获得了高的开路电压，在0.89-0.93 V之间，能量转化效率达到1.54％。
　　 3.为了拓宽聚合物在可见光部分的吸收，第四章的第一节设计合成了以二氧吡咯噻吩为受体单元，在受体单元上也含有强吸电子的内酰亚胺基团，目的是获得低的HOMO能级和较高的开路电压。以苯并[1，2-b：4，5-b’]二噻吩为给体单元，合成了新型共轭聚合物PBDTDPT1和PBDTDPT2。紫外可见吸收光谱表明新的聚合物与含邻苯二甲酰亚胺的聚合物相比有更宽的吸收峰，电化学研究表明聚合物PBDTDPT1和PBDTDPT2具有低的HOMO能级，分别达到-5.44和-5.42 eV。光伏器件测试结果证实，聚合物与PC71BM组成的本体异质结聚合物太阳能电池器件获得了优异的性能，开路电压高达0.91-0.97 V。PBDTDPT1和PBDTDPT2与PC71BM组成的本体异质结聚合物太阳能电池器件经初优化后的短路电流分别为6.58和10.34 mA/cm2，能量转化效率分别达到3.42％和4.79％。
　　 4.由于在受体两边引入推电子单元一般会降低聚合物的能带隙，第四章的第二节在PBDTDPT1和PBDTDPT2的基础上，在二氧吡咯噻吩单元两边引入了推电子的3-烷基噻吩单元，仍然以苯并[1，2.b：4，5-b’]二噻吩为给体单元，合成了新型共轭聚合物PBDTTPT1和PBDTTPT2。同时将二氧吡咯噻吩单元上的大支链改成直链。研究结果显示新的聚合物能带隙下降并不明显，由原来的1.84eV下降到了1.82和1.78 eV。新的聚合物也具有比较好的光伏性能，开路电压仍然高达0.90 V。PBDTTPT1和PBDTTPT2与PC71BM组成的本体异质结聚合物太阳能电池器件的能量转化效率分别达到2.43％和2.68％。
　　 5.第五章设计合成了含另一种强吸电子基团内酰胺的单体异靛蓝。分别以噻吩、噻吩并[2，3-b]噻吩和苯并[1，2-b：4，5-b’]二噻吩为给体单元，合成了一系列含异靛蓝的聚合物，并研究了这些聚合物的光学、电化学以及光伏性能。研究表明，异靛蓝聚合物的吸收峰覆盖整个可见光区域，同时聚合物具有较低的HOMO能级，合适的LUMO能级以及理想的光学能带隙。以异靛蓝的聚合物为给体材料，PC71BM为受体材料，制备了本体异质结聚合物太阳能电池器件，初步研究了光伏性能，能量转化效率最高达到1.91％。
　　 6.第六章合成了另一种含强吸电子内酰胺基团的单体3.6-二烷基.2，5-二吡咯并[3，4-c]吡咯-1，4-二酮(DPP)作为受体单元，DPP单元本身具有好的共轭结构，有强的π-π相互作用，内酰胺基团使得DPP单元高度缺电子。同时以具有平面性很好的噻吩并[2，3-b]噻吩为给体单元，合成了新型共轭聚合物PTT-DTDPP。聚合物具有宽的吸收带，覆盖整个可见光并延伸至近红外区域。同时具有良好的热稳定性和较低的HOMO能级，器件初步优化的能量转化效率为1.60％。

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