基于简单非稠环结构聚合物给体材料的合成与器件表征

作     者：许婉茹 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙向南

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：有机太阳能电池 本体异质结 聚合物给体材料 聚噻吩衍生物 非稠环结构 

摘      要：有机太阳能电池作为一种新型的清洁能源技术,凭借其成本低、质量轻、易于大面积制备等优势,近年来成为了研究热点。目前有机太阳能电池常规的结构为本体异质结型,该结构的活性层主要是由给体材料和受体材料共混而成,其中给体材料一般为p型聚合物或者小分子,而受体材料则分为三类:富勒烯及其衍生物、n型稠环小分子和聚合物。目前常用的高效聚合物给体材料主要是基于苯并二噻吩（BDT）等稠环单元,然而该单元结构相对比较复杂,合成难度大、成本高,不利于产业化,因此利用成本低、合成简单的非稠环单元所构建的聚合物给体材料就受到了本领域的广泛关注。最近由非稠环结构聚合物给体材料PTQ10构建的有机太阳能电池已经达到了 17.7%的效率,证实了非稠环单元所构建的聚合物给体材料在同时满足成本低,效率高的商业化需求方面具有很大的潜力。然而大多数非稠环结构聚合物给体材料所构建的太阳能电池仍具有较低的性能,主要限制因素是该类型聚合物材料种类单一,且大多数具有较高的最高占有分子轨道（HOMO）能级,不利于获得高的开路电压（Voc）,从而限制了性能的提升。因此研发具有低HOMO能级的新型非稠环结构聚合物给体材料是目前重要的研究热点之一。本论文首先设计并合成了基于噻吩单元所构建的非稠环结构聚合物给体材料PDTCT。该聚合物是基于目前很有潜力的聚噻吩类衍生物PDCBT的基础上设计的,通过在噻吩上引入吸电子羰基来代替PDCBT材料上的酯基,仍满足羰基上氧原子与噻π桥上硫原子之间的相互作用,同时达到降低聚合物HOMO能级的目的。并利用傅克酰基化反应在侧链羰基上引入噻吩烷基链,获得了一种新型的简单非稠环结构聚合物给体材料。结果发现该聚合物的HOMO能级从PDCBT的-5.26 eV成功下降到-5.31 eV,达到了材料设计目标,此外基于PDTCT/Y6的最佳器件效率为5.64%。其次本论文还设计并合成了一系列基于苯单元所构建的简单非稠环结构聚合物给体材料PTDCT-2T,PTDCT-2FT,PTDCT-2T-2FBTA。该系列聚合物给体材料是在目前非稠环结构聚合物给体材料中具有相对较低HOMO能级的聚合物PPDT2FBT的基础上进行设计的,采用相同的设计理念在给电子单元苯环上引入羰基和噻吩烷基链,获得了一种新型的给电子单元。通过调整不同的吸电子单元,成功合成出一系列具有低HOMO能级的聚合物给体材料。其中PTDCT-2T的 HOMO 能级为-5.65 eV,PTDCT-2FT 的 HOMO 能级为-5.77 eV,PTDCT-2T-2FBTA的HOMO能级为-5.80 eV,实现了具有低HOMO能级聚合物给体材料的构建。