基于咔唑的新型共軛小分子和聚合物的合成及其光伏性質(zhì)研究.pdf

1、有機(jī)太陽能電池是以有機(jī)共軛材料（共軛聚合物，共軛小分子）等為給體，富勒烯衍生物（如PCBM）為受體，采用夾層結(jié)構(gòu)Al/給體:受體/PEDOT:PSS/ITO的光電轉(zhuǎn)換器件器件，由于具有較低的成本，簡單的制備方法，較輕的重量，可大面積制備以及易于制成柔性器件等優(yōu)點(diǎn)正成為國際研究熱點(diǎn)。有機(jī)太陽能電池的給體材料，受體材料和電池的形貌等都是影響電池的最終性能的三個重要因素。合成出具有窄帶隙和較低的HOMO能級的有機(jī)共軛給體材料以及利用新的共軛聚

2、合物添加劑改善電池活性層形貌等方法正成為提高電池效率的有效手段。本論文以設(shè)計(jì)與合成新型的有機(jī)共軛給體材料和雙纜型聚合物添加劑并將其應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池為研究思路，開展了以下幾方面的工作:
　　 1.合成了以咔唑?yàn)榻o體(D)、苯并噻二唑(A)為受體的A-D-A結(jié)構(gòu)的兩種新型的有機(jī)共軛小分子（Hexyl-Octyl-CZ-BDT，Octyl-CZ-BDT）。所合成的A-D-A結(jié)構(gòu)的有機(jī)共軛小分子（Hexyl-Octyl-CZ-BDT

3、，Octyl-CZ-BDT）的末端連接有不同的直鏈和支鏈的烷基側(cè)鏈，目的是研究烷基側(cè)鏈對共軛小分子的電子性質(zhì)和太陽能電池性能的影響。通過對所合成的共軛小分子進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)其具有較好的熱穩(wěn)定性，光吸收范圍和溶解性。將Octyl-CZ-BDT作為給體與PC61BM共混(1/3，w/w)后制備出的體相異質(zhì)結(jié)太陽能電池在未經(jīng)過任何后處理的情況下獲得了2.43％的最高光電轉(zhuǎn)化效率。
　　 2.通過在咔唑和喹喔啉的共聚物上引入強(qiáng)吸電子的氟原子

4、來調(diào)節(jié)共聚物的分子能級，合成得到兩種新型的基于咔唑和喹喔啉的共聚物P1，P1-FF。通過核磁氫譜，紫外-可見光譜，電化學(xué)，密度泛函理論計(jì)算，場效應(yīng)遷移率，電池性能測試等研究了聚合物材料的分子結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和光電性能。結(jié)果表明，氟原子取代喹喔啉上的氫原子有效地增強(qiáng)了分子間的相互堆積，降低了聚合物的HOMO和LUMO能級，提高了載流子的遷移率。基于聚合物P1-FF:PCBM(1/3w/w)制備的聚合物太陽能電池獲得了0.66％的光電轉(zhuǎn)化效率

5、。
　　 3.通過簡單的兩步后聚合功能化以及一步酯化反應(yīng)，合成了一種新型的D-A雙纜型聚己基噻吩(P3HT)衍生物(PCBM-Ph-P3HT)，在合成的雙纜型共軛聚合物中，PCBM經(jīng)由苯基被連接到P3HT的噻吩上。該方法避免了復(fù)雜的單體聚合反應(yīng)而且最后一步酯化反應(yīng)具有轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)點(diǎn)。對PCBM-Ph-P3HT的電子性質(zhì)進(jìn)行熒光光譜表征的結(jié)果表明PCBM的取代對于P3HT的熒光強(qiáng)度的淬滅可達(dá)～63％。將PCBM-Ph-P3HT以優(yōu)

6、化的1wt％的重量比摻雜到P3HT:PCBM活性層中獲得最高的電池光電轉(zhuǎn)化效率3.40％，相比參比電池的效率提高了12％。電池效率的提高歸因于短路電流的提高，這是由于PCBM-Ph-P3HT的摻雜有利于使活性層形成雙連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了載流子的遷移率。
　　 4.從羥基化的富勒烯C60衍生物（富勒醇1）出發(fā)，通過不同的合成路線得到兩種具有高水溶性烷基磺酸化C60衍生物C60(O)14(OH)4(OCH2CH2CH2SO3N