含噻吩基元的共軛聚合物的合成、表征及其光電性能研究.pdf

1、本論文對共軛聚合物材料特別是含噻吩基元的共軛聚合物在有機太陽能電池、有機場效應(yīng)晶體管和熒光傳感器方面的進(jìn)展和應(yīng)用進(jìn)行了綜述。重點介紹了共軛聚合物太陽能電池電子給體材料的研究進(jìn)展。太陽能電池中幾個非常關(guān)鍵的因素如吸收光譜、空穴遷移率、開路電壓對太陽能電池的效率有著重要的影響。本論文的主旨為合成具有寬的吸收光譜、高的遷移率的共軛聚合物材料。利用紅外光譜、核磁共振譜、質(zhì)譜、元素分析等方法對合成的中間體和聚合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,利用紫外可見吸收光譜

2、、熒光光譜、循環(huán)伏安法對聚合物的光物理性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了考察,同時研究了聚合物在太陽能電池和有機場效應(yīng)晶體管方面的應(yīng)用。此外,本論文還合成了兩種含噻吡嗪單元的D-π-A結(jié)構(gòu)的聚合物,作為熒光傳感器敏感材料應(yīng)用于汞離子檢測。主要的研究內(nèi)容如下:
　　1.為提高聚噻吩衍生物的空穴遷移率,將空穴傳輸基元三苯胺引入到聚合物結(jié)構(gòu)中,合成一種側(cè)基為三苯胺乙烯基的聚噻吩衍生物DOTPAV-PT,并對其進(jìn)行詳細(xì)的表征和光物理性質(zhì)及電性能研究。

3、實驗結(jié)果表明,這個聚合物具有較寬的吸收及相對較高的空穴遷移率(1.25×10-4 cm2V-1s-1),三苯胺乙烯基側(cè)鏈的引入有效地提高了聚噻吩的空穴遷移率。
　　2.為進(jìn)一步提高聚噻吩衍生物的空穴遷移率,將空間位阻稍小的空穴傳輸基元咔唑基團引入到聚合物結(jié)構(gòu)中,合成一種側(cè)基為咔唑乙烯基的聚噻吩衍生物CARV-PT,并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征和性能研究。實驗結(jié)果表明,這個聚合物具有較寬的吸收及相對高的空穴遷移率(5.2×10-4 cm2V

4、-1s-1),說明咔唑乙烯基側(cè)鏈的引入有效的提高了聚噻吩的空穴遷移率。以CARV-PT為電子給體,PCBM為電子受體,當(dāng)兩者共混質(zhì)量比為1:1時,制作的本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池在AM1.5,100 mW/cm2光照下,能量轉(zhuǎn)換效率為0.20％。
　　3.為進(jìn)一步有效地提高聚噻吩的空穴遷移率、降低聚合物的HOMO能級以及拓寬聚合物的吸收光譜,設(shè)計合成了一種新型的腈基取代的聚(噻吩-乙烯-噻吩)的聚合物CN-PTVT。紫外可見吸收光譜測試

5、表明該聚合物膜具有寬的吸收范圍,覆蓋從400～750 nm的范圍。循環(huán)伏安測試結(jié)果表明該聚合物的HOMO和LUMO能級分別為-5.15 eV和-3.22 eV,由此可以計算出它具有比較窄的帶隙1.93 eV。這說明腈基的引入明顯降低了聚合物的HOMO能級。以CN-PTVT為電子給體,PCBM為電子受體構(gòu)筑本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池,在模擬太陽光 AM1.5,100 mW/cm2下,得到高的開路電壓0.82 V和比較高的能量轉(zhuǎn)換效率0.30%。

6、基于CN-PTVT的有機場效應(yīng)晶體管器件顯示了高的遷移率5.9×10-3 cm2 V-1 s-1和高的開關(guān)比4.9×104,這兩個數(shù)值接近目前空氣穩(wěn)定無定型聚合物的最高值。
　　4.用Wittig-Horner聚合法合成了兩種新的含D-π-A結(jié)構(gòu)的共聚物P(TPA-TPZ)和P(Ph-TPZ),這兩個聚合物有明顯的溶劑變色效應(yīng)。對于P(TPA-TPZ),其三氯甲烷溶液為紅色,甲酸溶液為綠色;而對于P(Ph-TPZ),其三氯甲烷的顏