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二烷硫基噻吩—二噻并苯并二噻吩基共軛聚合物的合成與研究

發(fā)布時間:2018-07-25 14:37
【摘要】:活性層材料是聚合物太陽能電池器件的核心部分,其性能的優(yōu)化和改善對提高太陽能電池器件的效率有著很重要的意義。通過對活性層中的給體材料的優(yōu)化設計,可以得到光電性能優(yōu)異的有機太陽能電池器件。本文是在DTBDT單元的5,10位上引入噻吩硫的烷基側(cè)鏈,首次合成出一種新的電子給體單元DTBDT-TS。將給體單元DTBDT-TS與受體單元(2,1,3-苯并噻二唑/5,6-雙氟代2,1,3-苯并噻二唑、萘并[1,2-c:5,6-c']雙[1,2,5]噻二唑、噻并異靛藍等的衍生物)通過Stille偶聯(lián)反應合成出了系列窄帶隙D-A型共聚物,并對聚合物的熱穩(wěn)定性、吸收光譜和電化學性能進行表征;對聚合物的分子最優(yōu)模型、二面角和HOMO、LUMO能級軌道進行估算,對聚合物的光伏性能進行初步的研究。首先,將烷硫基噻吩側(cè)鏈引入到DTBDT單元上,制備了電子給體單元DTBDT-TS。以DTBDT-TS與缺電單元BT與FBT,2-丁基辛基噻吩作共軛π橋,通過Stille偶合得到兩種窄帶隙共軛聚合物PDTBDT-TS-DTBT和PDTBDT-TS-DTFBT。表征結果表明共軛聚合物PDTBDT-TS-DTBT和PDTBDT-TS-DTFBT在300-800 nm范圍對太陽光有吸收,光學帶隙分別為1.67和1.68 eV,LUMO分別為-3.55和-3.71 eV;HOMO分別為-5.22和-5.39eV。但是在溶解性能實驗中發(fā)現(xiàn)上述聚合物在常用有機溶劑中溶解性差。因此引入更大烷基側(cè)鏈(2-辛基十二烷基),通過對受體單體的優(yōu)化設計來改善聚合物的溶解性,成功合成了兩種溶液加工性能改善的聚合物PDTBDT-TS-DTBT2和PDTBDT-TS-DTFBT2,并且熱穩(wěn)定性沒有降低、光學帶隙略有增大、能級保持恒定。聚合物太陽能器件結構為ITO/PFN/Polymer:PC61BM/MoO3/Ag。聚合物太陽能電池光活性層PDTBDT-TS-DTBT2:PC61BM=1:1.5共混膜,同時加入3%DIO時,器件的光電轉(zhuǎn)換效率PCE最高為3.47%(其VOC=0.81 V,JSC=6.53 mA/cm2,FF=65.69%)。聚合物太陽能電池光活性層PDTBDT-TS-DTFBT2:PC61BM的質(zhì)量比為1:1.5,同時加入3%DIO時,器件的光電轉(zhuǎn)換效率PCE最高為4.61%(其VOC=0.88 V,JSC=9.27 mA/cm2,FF=56.48%)。含氟取代的聚合物表現(xiàn)出更為優(yōu)異的光伏性能和更好的分子平面性,有利于載流子的傳輸,從而獲得高的短路電流,最終獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。其次,將給體單元DTBDT-TS與受體單元DTNTHD通過Stille偶聯(lián)反應得到聚合物PDTBDT-TS-DTNTHD,該聚合物有良好的成膜加工性能,熱分解溫度為347℃,在可見光區(qū)有較強的吸收,吸收范圍從300至800 nm,薄膜狀態(tài)下的最大吸收峰位于672nm處,光學帶隙為1.67 e V。HOMO和LOMO能級分別為-5.35和-3.68 eV。以PDTBDT-TS-DTNTHD:PC61BM共混膜為活性層,加入3%DIO后器件的開路電壓和短路電流均增大,獲得能量轉(zhuǎn)換效率最高為2.03%(其VOC=0.78 V,JSC=6.80 mA/cm2,FF=38.3%)。再次,將給體單元DTBDT-TS與受體單元TIID通過Stille偶聯(lián)反應得到聚合物PDTBDT-TS-TIID,該聚合物具有良好的成膜加工性能,熱分解溫度為344℃。聚合物PDTBDT-TS-TIID的光學帶隙僅為1.28 eV,在可見光區(qū)內(nèi)有較強的吸收,吸收范圍從300拓展至1000 nm,HOMO和LUMO能級分別為-5.28和-4.00 eV。以PDTBDT-TS-TIID:PC61BM=1:1.5共混膜為活性層,加入3%DIO制備的太陽能器件能量轉(zhuǎn)換效率最高為0.66%(其VOC=0.47 V,JSC=3.13 mA/cm2,FF=44.84%)。
[Abstract]:The active layer material is the core part of the polymer solar cell device. The optimization and improvement of its performance is very important to improve the efficiency of the solar cell device. By optimizing the material in the active layer, the organic light energy battery device with excellent photoelectric performance can be obtained. This paper is in the 5,10 of the DTBDT unit. By introducing an alkyl side chain of thiophene sulfur, a new electron donor unit, DTBDT-TS., was synthesized for the first time by DTBDT-TS and receptor units (2,1,3- benzothiazole /5,6- bis 2,1,3- benzothiazole two azole, naphthalene and [1,2-c:5,6-c'] double [1,2,5] thiothiazoles, thioisoindigo and other derivatives) synthesized by Stille coupling reaction. The D-A type copolymer of narrow band gap is listed, and the thermal stability, absorption spectrum and electrochemical performance of the polymer are characterized. The molecular optimal model of the polymer, the dihedral angle and the HOMO, LUMO energy level orbit are estimated, and the photovoltaic performance of the polymer is preliminarily studied. First, the alkthiophene side chain is introduced to the DTBDT unit and the electricity is prepared. The subunit DTBDT-TS. is used as a conjugate bridge with DTBDT-TS and BT and FBT, 2- butyl octyl thiophene, and two narrow band gap conjugated polymers, PDTBDT-TS-DTBT and PDTBDT-TS-DTFBT., are characterized by Stille coupling. The results show that the conjugated polymer PDTBDT-TS-DTBT and PDTBDT-TS-DTFBT are absorbed to the sun light in the 300-800 nm range and the optical band gap is in the band gap. 1.67 and 1.68 eV, respectively, LUMO is -3.55 and -3.71 eV, respectively, HOMO is -5.22 and -5.39eV., respectively, but it is found that the solubility of the polymer in the common organic solvent is poor in the dissolution test. Therefore, the larger alkyl side chain (2- octyl twelve alkyl) is introduced, and the solubility of the polymer is improved by optimizing the receptor monomer. Two kinds of polymer PDTBDT-TS-DTBT2 and PDTBDT-TS-DTFBT2 were synthesized, and the thermal stability was not reduced, the optical band gap was slightly increased and the energy level kept constant. The structure of the polymer solar device was the PDTBDT-TS-DTBT2:PC61BM=1:1.5 blend film of the photoactive layer of the ITO/PFN/Polymer:PC61BM/MoO3/Ag. polymer solar cell, At the same time, when 3%DIO is added, the photoelectric conversion efficiency of the device is up to 3.47% (its VOC=0.81 V, JSC=6.53 mA/cm2, FF=65.69%). The mass ratio of the photoactive layer PDTBDT-TS-DTFBT2:PC61BM of the polymer solar cell is 1:1.5, and the photoelectric conversion efficiency of the device is higher than 4.61% when the 3%DIO is added. The fluoro substituted polymers show better photovoltaic properties and better molecular planarity, which is beneficial to the transport of carriers, thus obtaining high short-circuit current, and finally obtaining high energy conversion efficiency. Secondly, the polymer PDTBDT-TS-DTNTHD is obtained by coupling reaction of the donor cell DTBDT-TS and the receptor unit DTNTHD, which is the polymer. The compound has good film forming properties, the thermal decomposition temperature is 347 C, the absorption range is stronger in the visible light area, the absorption range is from 300 to 800 nm, the maximum absorption peak in the film state is at 672nm, the optical band gap is 1.67 e V.HOMO and LOMO energy level is -5.35 and -3.68 eV. as the active layer with PDTBDT-TS-DTNTHD:PC61BM blend membrane, adding 3%DIO. The open circuit voltage and short circuit current of the post device all increase, and the maximum energy conversion efficiency is 2.03% (its VOC=0.78 V, JSC=6.80 mA/cm2, FF=38.3%). Again, the polymer PDTBDT-TS-TIID is obtained by Stille coupling reaction between the donor unit DTBDT-TS and the receptor unit TIID. The polymer has a good film forming performance and the thermal decomposition temperature is 344. The optical band gap of the polymer PDTBDT-TS-TIID is only 1.28 eV, which has strong absorption in the visible region, the absorption range is expanded from 300 to 1000 nm, the HOMO and LUMO energy levels are -5.28 and -4.00 eV., respectively, with PDTBDT-TS-TIID:PC61BM=1:1.5 blend membrane as the active layer, and the energy conversion efficiency of the added 3%DIO prepared by 3%DIO is the highest (VOC=0). .47 V, JSC=3.13 mA/cm2, FF=44.84%).
【學位授予單位】:蘭州交通大學
【學位級別】:碩士
【學位授予年份】:2017
【分類號】:TM914.4

【參考文獻】

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本文編號:2144129

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