基于氟代喹喔啉D-π-A型聚合物給體光伏材料的設(shè)計(jì)合成及其性能研究.pdf

1、在全球能源危機(jī)和環(huán)境污染日益加劇的背景下，太陽(yáng)能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，目前已越來(lái)越受到人們的關(guān)注。與無(wú)機(jī)硅太陽(yáng)能電池相比，聚合物太陽(yáng)能電池因其成本低、污染小、可大面積柔性加工而成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。但目前仍存在能量轉(zhuǎn)化效率低、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。本文以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高效聚合物給體材料為目的，在能帶結(jié)構(gòu)理論的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地開(kāi)展了共軛分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和側(cè)鏈修飾的工作，合成了一系列基于氟代喹喔啉的D-π-A型窄帶隙聚合物，研究了材料結(jié)構(gòu)性能之間的

2、科學(xué)規(guī)律，制備出了性能優(yōu)良的光伏電池器件。
　　1.為了探究空間共軛結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物光電性能的影響，我們以苯并二噻吩單元(BDT)為參比分子，設(shè)計(jì)合成了在垂直于主鏈方向上具有延伸共軛結(jié)構(gòu)的二維苯并二噻吩(BDTT)和在平行于主鏈方向上具有延伸共軛結(jié)構(gòu)的萘并二噻吩(NDT)單元，然后分別與氟代喹喔啉(DFDTQX)共聚得到了三種不同共軛結(jié)構(gòu)的D-π-A型聚合物，首次系統(tǒng)地研究了從不同方向?qū)酆衔锏墓曹椊Y(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展延伸后其光電性能的變化規(guī)

3、律。基于母體聚合物PBDT-DFDTQX器件的能量轉(zhuǎn)化效率為2.10％，場(chǎng)效應(yīng)晶體管空穴遷移率為2.63×10-3 cm2 V-1s-1;垂直主鏈共軛延伸結(jié)構(gòu)的PBDTT-DFDTQX，效率提高了近2.5倍，達(dá)到了5.07％，空穴遷移率提高不明顯;而平行主鏈共軛延伸的PNDT-DFDTQX的空穴遷移率提高了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了～0.1 cm2 V-1s-1，但光伏效率提高不多，只有2.30％。
　　2.以拓寬和增強(qiáng)共軛聚合物可見(jiàn)光

4、區(qū)吸收光譜為目的，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一系列D1-A(D2)型共軛聚合物材料，既保證了D1和A單元間的ICT作用，還同時(shí)在D2和A單元間引入了ICT作用。設(shè)計(jì)合成了強(qiáng)供電子基團(tuán)（烷基噻吩）取代的喹喔啉受體單元(DFQX)。使用該單體，采用Stille偶聯(lián)法，分別與噻吩、苯并二噻吩和萘并二噻吩供電子單體聚合，制備出三種D-A型光伏聚合物材料PT-DFQX、PBDT-DFQX和PNDT-DFQX，其對(duì)應(yīng)器件的能量轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到5.03％、4.5

5、2％和2.65％。
　　3.前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二維共軛結(jié)構(gòu)的BDT-DFQX具有更好的光伏性能。為了進(jìn)一步提高該類材料的性能，我們開(kāi)展了側(cè)鏈優(yōu)化工作，詳細(xì)研究了共軛側(cè)鏈對(duì)BDT-DFQX聚合物光伏性能的影響規(guī)律。我們固定分子共軛主鏈不變，分別使用4-烷氧基苯(P)和2-烷基噻吩(T)作為共軛側(cè)鏈組合來(lái)調(diào)節(jié)共聚物的光電性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，共軛側(cè)鏈中2-烷基噻吩所占的比例越大，對(duì)應(yīng)聚合物的吸收能力越強(qiáng)，HOMO能級(jí)越高。制備的相應(yīng)的光伏電

6、池器件的能量轉(zhuǎn)換效率也表現(xiàn)了出很強(qiáng)的規(guī)律性。從D和A單元上全部為2-烷基噻吩共軛側(cè)鏈的PBDT-DFQX-TT，到全部為4-烷氧基苯共軛側(cè)鏈的PBDT-DFQX-PP，四個(gè)聚合物制備的光伏器件的能量轉(zhuǎn)化效率分別為7.29％、6.54％、6.08％到2.96％?；赑BDT-DFQX-TT的光伏器件效率7.29％，比PBDT-DFQX-PP器件的效率2.96％整整高出了2.5倍。隨后，我們通過(guò)器件加工工藝的優(yōu)化，使用甲醇溶劑來(lái)修飾處理活性