三聚茚型星型小分子受体和超支化聚合物受体的合成与性能研究

作     者：郝海景 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武永刚;白利斌

授予年度：2018年

学科分类：07[理学] 070305[理学-高分子化学与物理] 0703[理学-化学] 

主      题：星型受体材料 超支化受体材料 三聚茚 Suzuki偶联 Stille偶联 

摘      要：本论文合成的星型小分子受体材料和超支化聚合物受体材料属于非富勒烯受体材料,可应用于有机太阳能电池。相较于线性材料,星型材料具有很多优点,它可以有效地减少分子间堆积,并减少交联效应。当制备成膜后,相比于线型材料,星型材料的光电性能有了很大的提升。聚合物因合成路线复杂,较难纯化和溶解性等原因,对其报道相对较少。小分子受体材料具有明确的分子量,容易提纯,合成方法明确,结构多变,能够和不同的给体材料匹配,因此受到众多研究者的关注。本文合成了一系列以三聚茚为核的星型小分子受体和超支化聚合物受体,与聚合物给体材料PBDB-T共混制得太阳能电池器件,探索受体材料的光伏性能。主要研究工作如下:1.首先合成四个具有不同烷基侧链的(2,7,12)-三溴代三聚茚(A-Cn-1),以此为原料利用Suzuki偶联反应合成了一系列星型小分子受体A-C6、A-C8、A-C10和A-C12。这四种化合物均呈深紫色,随着碳链的增长,在二氯甲烷、四氢呋喃等常见溶剂中的溶解性依次变好。对四种化合物进行紫外-可见吸收光谱测定,结果显示四种化合物在溶液和薄膜中表现出相似的吸收光谱,且在薄膜中的吸收峰相较于溶液中产生了红移现象,这是因为化合物在薄膜中形成了聚集。TGA测试结果表明,四种受体分子都具有良好的热稳定性,A-C6的热分解温度在275℃,A-C8、A-C10、A-C12热分解温度均在305℃,四种受体分子均在355℃出现5%的质量损失,满足器件工作的基本要求。电化学性质测试表明四种受体分子均具有合适的HOMO能级和LUMO能级,可以为激子分离提供一定的驱动力,使激子有效分离为自由电荷。以聚合物PBDB-T作为给体材料共混制备有机太阳能电池器件,测试结果表明,四种化合物均有较高的能量转换效率(PCE),A-C10因其良好的溶解性、聚集行为和共混薄膜良好的形貌,能量转换效率最高,达到5.17%。2.设计并合成了一个基于三聚茚的超支化聚合物受体W,以5,5,10,10,15,15-六-十二烷基-2,7,12-三溴代三聚茚(A-C12-1)和2,5-(双三甲基锡烷基)噻吩并[3,2-b]噻吩为原料进行Stille偶联,得到合适分子量的聚合物M,用5-甲酰-2-噻吩硼酸封端,与3-(二氰基亚甲基)靛-1-酮(INCN)反应得到聚合物W。通过FTIR测试表征聚合物M和W的结构。聚合物W在常见溶剂中具有良好的溶解性,如氯仿,甲苯,四氢呋喃等。聚合物W在二氯甲烷溶液和薄膜中都有很高的紫外吸收值,由于聚集行为使得其在薄膜中的吸收峰相较于溶液中产生了红移。W具有良好的热稳定性与合适的能级,能与给体材料很好的匹配。基于PBDB-T:W制备的电池器件能量转换效率达到0.26%。