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基于苯并噻吩侧链的聚合物给体材料及其光伏性能

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基于苯并噻吩侧链的聚合物给体材料及其光伏性能

作者：林金平河北大学

学位级别：硕士

为了应对化石能源的大量使用带来的环境污染问题,开发新型绿色能源是为了未来社会可持续发展必须要完成的课题之一。太阳能是一种丰富的绿色能源,制备低成本、高效率和可大面积使用的太阳能电池将太阳能转化为电能具有重大意义。有机太... 详细信息

为了应对化石能源的大量使用带来的环境污染问题,开发新型绿色能源是为了未来社会可持续发展必须要完成的课题之一。太阳能是一种丰富的绿色能源,制备低成本、高效率和可大面积使用的太阳能电池将太阳能转化为电能具有重大意义。有机太阳能电池(OSCs)具有材质轻、成本低、柔性和方便溶液加工等优点,近年来随着效率的逐步提高展现出良好的研究与应用发展前景。活性层的给受体的分子设计是通往OSCs商业化的必经之路,合适的分子结构不仅能够有效提升电池的光电转换效率,还可以大幅降低加工难度。苯并二噻吩(BDT)作为一种性能优异的结构单元,具有较大的共轭平面和规整的分子结构,基于其构筑的聚合物往往表现出较高迁移率和光电转换效率(PCE)。因此,在BDT结构单元基础上进行分子结构设计与优化以发展新型给体聚合物依旧是一条很有潜力的道路。本论文研究设计合成4种含BDT结构单元的给体聚合物,然后从侧链构型和吸电子单元影响两方面着手,研究分子结构差异对材料光学、电学性质和光伏性能的影响。第二章,选择苯并噻吩单元作为BDT单元的共轭侧链,通过将苯或噻吩环连接到BDT单元上设计并合成了两种给体聚合物材料PBS-DIT和PTPH-DIT。研究发现通过苯环直接连接BDT单元的聚合物给体PBS-DIT具有更强的溶液聚集性和更好的加热不敏感性,使其更容易以绿色溶剂2-甲基四氢呋喃(MTHF)进行溶液加工。以N2200为受体组分,PBS-DIT:N2200薄膜表现出高而平衡的载流子迁移率和较快的电荷生成速率,而且PBS-DIT:N2200薄膜中给受体组分的相分离形貌更加良好,同时垂直相分布更加明显,有助于促进电荷传输和降低载流子复合损失。最终基于活性层PBS-DIT:N2200制备的全聚合物活性层OSCs的最高PCE为7.76%,明显高于对照组PTPH-DIT:N2200对应器件5.31%的效率。第三章,鉴于以苯并噻吩为侧链且苯环直接连接于BDT单元时给电子构筑单元(BS)的相对良好的性能潜力,进一步探索与之更加匹配的缺电子单元。通过采用苯并二噻吩二酮(BDD)、吡咯并(苯并三氮唑)二酮(DIT)和氟代苯并三氮唑类(FTACz)吸电子单元与之聚合,合成了三种D-π-A-π结构的给体聚合物材料PBS-BDD,PBS-DIT,PBS-FTACz。研究结果显示,聚合物PBS-BDD具有较高的载流子迁移率、能级结构与受体Y6更加匹配,并且与受体组分形成均匀互穿的纳米网络结构。最终基于PBS-BDD的光伏器件得到了10.41%的最佳效率。

关键词：全聚合物太阳能电池给体聚合物侧链异构缺电子单元给受体共混性

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三元无规共聚改性PM6及其光伏应用研究

三元无规共聚改性PM6及其光伏应用研究

作者：熊如意南昌大学

学位级别：硕士

有机太阳能电池（OSCs）具有柔性、可低成本溶液处理和质量小等优点,受到科研人员的广泛关注。活性层材料是提高有机太阳能电池能量转化效率的重要因素。三元无规共聚是一种简单有效的分子结构设计和合成高效聚合物给体的方法,通过将第... 详细信息

有机太阳能电池（OSCs）具有柔性、可低成本溶液处理和质量小等优点,受到科研人员的广泛关注。活性层材料是提高有机太阳能电池能量转化效率的重要因素。三元无规共聚是一种简单有效的分子结构设计和合成高效聚合物给体的方法,通过将第三单元引入聚合物主链,可以方便的调节其吸收光谱、能级和形貌,从而达到提高PCE的目的。本研究针对给体聚合物材料PM6能级偏高的问题,利用三元无规共聚的方法设计并合成了一系列的聚合物给体材料。具体研究内容如下:1.采用高性能给体材料PM6作为母体,以吸电子单元二氰基苯作为第三单元引入PM6中。采用三元无规共聚策略合成了三种D-A1-D-A2型三元无规共聚物给体材料PM6-CN10、PM6-CN15和PM6-CN20,总收率分别为15.37%,13.66%和15.46%。二氰基苯单元上具有两个强吸电子的氰基可以有效的降低聚合物的HOMO能级,对应的HOMO能级分别为-5.55,-5.60和-5.68 e V。这有利于以聚合物为给体的OSCs获得更高的开路电压,相应的器件开路电压为0.85,0.87和0.88 V。其中,基于PM6-CN15:Y6的有机太阳能电池得到了15.90%的能量转化效率,开路电压为0.87 V,短路电流为25.04 m A cm-2,填充因子为73.47%。2.聚合物给体的氟化是一种制造高效有机太阳能电池广泛采用的方法。第二个研究通过将不同比例的五氟乙基酯取代的苯单元引入高效的聚合物给体PM6中,利用五氟乙基的强吸电子能力降低聚合物的HOMO能级,设计并合成了PM6-CF5、PM6-CF10和PM6-CF15三种新的聚合物给体材料,总收率分别为28.06%,26.67%和25.15%。结果发现,三种聚合物的HOMO能级较PM6均有下降,并且随着五氟乙基基团引入比例的增大,聚合物的HOMO能级依次降低,三种聚合物的HOMO能级范围为-5.61至-5.67 e V。HOMO能级降低使得器件的开路电压增大,相应有机太阳能电池器件的开路电压范围为0.85至0.88 V。其中,PM6-CF5表现出较低的能级和优异的光吸收,从而得到了15.60%的能量转化效率（PCE）,开路电压为0.85 V,短路电流为24.61 m A cm-2,填充因子为75.47%。

关键词：有机太阳能电池给体聚合物三元无规共聚开路电压

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还原橙3衍生物及其聚合物光伏性能的研究

化学学报 2015年第3期73卷 281-288页

作者：杨瑞蔡雪刁丁黎明陕西省大分子科学重点实验室陕西师范大学化学化工学院西安710119 中科院国家纳米科学中心材料研究室北京100190

还原橙3具有稠环结构,但是其在许多有机溶剂中的不溶性阻碍其作为光伏材料的使用.对还原橙3进行修饰得到还原橙3的衍生物4,10-双(4-己基-2-噻吩基)-6,12-双(二氰基亚乙烯基)二氢化蒽并蒽(TCVA),对TCVA的光电性能进行研究,结果表明,TCVA... 详细信息

还原橙3具有稠环结构,但是其在许多有机溶剂中的不溶性阻碍其作为光伏材料的使用.对还原橙3进行修饰得到还原橙3的衍生物4,10-双(4-己基-2-噻吩基)-6,12-双(二氰基亚乙烯基)二氢化蒽并蒽(TCVA),对TCVA的光电性能进行研究,结果表明,TCVA在紫外-可见光区有较强的吸收,循环伏安法表明TCVA的HOMO和LUMO能级分别为-6.04和-4.42eV,将其与P3HT共混制备太阳能电池,其效率为0.3%.将还原橙3衍生物作为受体单元制备D-A结构的给体聚合物聚4,10-双(4-己基-2-噻吩基)-6,12-双(二氰基亚乙烯基)二氢化蒽并蒽连2,6-双(三甲基锡)-4,4-二(2-乙基己基)二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]噻咯(PTCVADTS),该聚合物有非常窄的带隙0.94eV,但是由于其LUMO能级较受体材料(6,6)-苯基-C61(71)-丁酸甲酯(PCBM)的LUMO能级小,阻碍了激子的分离,使电池器件的效率很低.

关键词：还原橙3衍生物受体给体聚合物窄带隙光电性能

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吡咯并吡咯二酮给、受体的设计合成及应用

吡咯并吡咯二酮给、受体的设计合成及应用

作者：陈志才杭州师范大学

学位级别：硕士

吡咯并吡咯二酮(DPP)原是一种染料,也是经典的缺电子材料。有着较宽的吸收光谱,光稳定性好,烷基修饰后有很好的溶解性;在聚合物晶体管材料和有机太阳能电池材料中有着广泛的应用。DPP的给体材料研究的比较多,目前基于DPP的小分子给体材... 详细信息

吡咯并吡咯二酮(DPP)原是一种染料,也是经典的缺电子材料。有着较宽的吸收光谱,光稳定性好,烷基修饰后有很好的溶解性;在聚合物晶体管材料和有机太阳能电池材料中有着广泛的应用。DPP的给体材料研究的比较多,目前基于DPP的小分子给体材料的太阳能电池的最高效率已经超过了7%。DPP单元的LUMO能级较低,具有很好的光谱吸收。近年来,用作电子受体材料替代富勒烯的研究也引起了科学家的兴趣。在DPP受体材料方面,虽然从2010年以来不断有很多报道,但是效率都不太高。DPP分子呈高度平面性,比较容易结晶,在活性层中往往形成较大面积的结晶,不利于激子的有效分离。在减弱DPP分子在活性层中的自聚方面,我们课题组做了一些前期工作。2015年,我们课题组首次报道了基于螺芴(SF)为核的DPP受体小分子,其中以异辛基修饰的(SF-DPPEH),以P3HT作为给体材料;制作光伏器件得到光电转化效率PCE高达3.63%,对于DPP受体来说是个很大的突破。研究表明螺芴使整个分子呈十字交叉型结构,一方面有利适当的压制DPP分子的自聚;另一方面分子中两个互相垂直的平面能保持一定的结晶,有利于改善活性层的电子传输。然而进一步分析我们发现(SF-DPPEH)的吸收光谱与给体材料P3HT有较大的重合,没有形成吸收光谱的互补。可以预见继续拓宽SF-DPPEH的吸收光谱,可以很好的和P3HT的吸收光谱形成互补,大幅改善活性层的吸收光谱,从而提高器件的短路电流(Jsc)。为此我们在性能优越的SF-DPPEH的基础上,对其结构进行修饰,在DPP的末端引入并环,期望拓宽其吸收光谱,并提高其结晶性。在这里我们对DPP进一步修饰,在其噻吩环上分别连接萘、苯并呋喃、苯并噻吩得到了端基修饰的三个分子SF(DPPN)4、SF(DPPBF)、SF(DPPBT)4。一方面,和上述提到的一样,十字交叉结构能够有效减弱其成膜时分子的自聚;另一方面,三个并环化合物修饰的DPP分子的共轭程度有所增加;从而拓宽了其吸收光谱。通过紫外光谱我们发现,新合成的三个分子相较于SF(DPPEH)4的吸收明显拓宽约30nm,和我们预测的一致。初步测试,SF(DPPN)4的光电转化效率PCE为1.15%。为了拓展DPP在非富勒烯受体材料中的应用,我们还用DPP单体和萘酰亚胺(NDI)与噻吩双锡聚合,通过调节DPP和NDI的比例,合成了四种DPP类聚合物受体材料。通过紫外吸收光谱我们发现,它们在300-800nm之间都有有良好的吸收。而且它们的吸收光谱随着DPP含量的变化而明显改变。DSC测试显示四个聚合物都有良好的结晶。与P3HT共混,制作全聚合物太阳能电池器件。测试它们的光伏性能最高的PCE为0.5%。同时我们还将课题组先前合成的杂并五噻吩与DPP共聚,合成三个新型的有机聚合物给体材料。聚合物相对于小分子柔性更好,能够在制作器件时更好的成膜,同时其载流子迁移率也会高于小分子。从以上可以看出DPP无论是在有机太阳能受体材料,还是给体材料中都有良好的光伏表现,有待我们继续的探索研究其性能。

关键词：有机太阳能电池吡咯并吡咯二酮(DPP) 受体小分子/聚合物给体聚合物

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基于宽带隙聚合物太阳能电池的研究进展

广州化工 2021年第9期49卷 21-27页

作者：庄程东郭鹏智兰州交通大学材料科学与工程学院甘肃兰州730070 兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心甘肃兰州730070

有机太阳能电池因为制备过程简单、重量轻、成本低廉和可制成柔性器件等优点受到了广泛的关注。近年来,随着窄带隙小分子受体材料的快速发展,与之光谱匹配的宽带隙给体聚合物太阳能电池表现出较高的PCE。研究人员通过苯并二噻吩(BDT)、... 详细信息

有机太阳能电池因为制备过程简单、重量轻、成本低廉和可制成柔性器件等优点受到了广泛的关注。近年来,随着窄带隙小分子受体材料的快速发展,与之光谱匹配的宽带隙给体聚合物太阳能电池表现出较高的PCE。研究人员通过苯并二噻吩(BDT)、苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)、萘并双三唑和苯并三唑(BTA)等构建块,设计合成了一系列高效的宽带隙给体聚合物。在此对宽带隙聚合物非富勒烯太阳能电池的研究进展进行综述。

关键词：给体聚合物有机太阳能电池宽带隙研究进展

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有机聚合物太阳能电池三元共混体系的研究

有机聚合物太阳能电池三元共混体系的研究

基于噻唑pi桥和主骨架不对称单元构筑高性能新型无规共轭聚合物

2015年全国高分子学术论文报告会

作者：陆恒董阳徐倩李文华李翠红薄志山北京师范大学化学学院

通过拓宽有机聚合物太阳能电池活性层的光谱吸收,能有效地提升太阳能电池的光电转换效率。为了更好的匹配太阳光的辐射波长,两种自身吸收光谱互补的宽带隙聚合物HD和窄带隙聚合物DPP作为有机聚合物太阳能电池中的给体材料,应用于制作三... 详细信息

通过拓宽有机聚合物太阳能电池活性层的光谱吸收,能有效地提升太阳能电池的光电转换效率。为了更好的匹配太阳光的辐射波长,两种自身吸收光谱互补的宽带隙聚合物HD和窄带隙聚合物DPP作为有机聚合物太阳能电池中的给体材料,应用于制作三元共混有机聚合物太阳能电池中。宽带隙聚合物HD在450到650 nm的光谱范围内有较强的吸收,而窄带隙聚合物DPP在600到800 nm的光谱范围内有较强的吸收。与基于聚合物HD和聚合物DPP的二元共混有机聚合物太阳能电池相比,三元共混有机聚合物太阳能电池具有较高的开路电压和短路电流。当三元共混有机太阳能电池HD:DPP:PCBM的质量比为0.5:0.5:2.5时,器件的光电转换效率达到了6.71%,这高于与之相对应的二元共混有机太阳能电池的转换效率。这个工作表明,为了提高有机太阳能电池的光电转换效率,制备三元共混有机太阳能电池器件是一种可行的且容易的方式。

关键词：聚合物太阳能电池给体聚合物三元共混吸收光谱互补纳米纤维

来源： cnki会议评论

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基于噻唑pi桥和主骨架不对称单元构筑高性能新型无规共轭聚合物