D-A共聚物是一類(lèi)在分子主鏈中同時(shí)具有電子給體（D）單元和電子受體（A）單元的共軛共聚物。這種特殊的雙極性結(jié)構(gòu)賦予其較強(qiáng)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）能力,因而被廣泛應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池及場(chǎng)效應(yīng)晶體管等方面。苯并噻吩類(lèi)結(jié)構(gòu)具有高度共軛性和平面性及較強(qiáng)的供電子能力,苯并二吡咯酮結(jié)構(gòu)則具有高度共軛平面性及較強(qiáng)的吸電子能力,因此可望用于構(gòu)筑D-A共軛共聚物。本論文設(shè)計(jì)合成了三種苯并噻吩類(lèi)單體,并將其作為給體單元與兩種苯并二吡咯酮單體進(jìn)行Stille縮聚,制備了一系列的D-A共聚物,并系統(tǒng)地研究了側(cè)鏈修飾、共軛程度和橋接基團(tuán)對(duì)共聚物光物理性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)的影響。1.設(shè)計(jì)合成了二噻吩并苯并二噻吩（DTBDT）分子,通過(guò)烷氧基和烷基噻吩對(duì)其進(jìn)行側(cè)鏈修飾,得到了DTBDT（OR）單體和DTBDT（TR）單體,再分別用噻吩和苯環(huán)修飾苯并二吡咯酮（BDP）分子,得到了BDPT單體和BDPP單體。通過(guò)Stille縮聚得到了PDTBDT（OR）-BDPT,PDTBDT（TR）-BDPT,PDTBDT（OR）-BDPP和PDTBDT（TR）-BDPP四種D-A共聚物,并對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響進(jìn)行了討論。四種聚... 

【文章來(lái)源】：青島科技大學(xué)山東省

【文章頁(yè)數(shù)】：66 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池示意圖

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文3因?yàn)榻o體材料和受體材料兩相必須足夠接近才能使激子在重組之前到達(dá)界面發(fā)生分離。因此，通常在納米級(jí)上混合供體和受體組分以形成本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)。這種形態(tài)學(xué)策略自提出以來(lái)[7,8]，一直是聚合物太陽(yáng)能電池研究中流行的活性層結(jié)構(gòu)。BHJ結(jié)構(gòu)相對(duì)于雙層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，不僅可以保證相對(duì)較厚的活性層混合物薄膜來(lái)吸收更多的太陽(yáng)光輻射，還在薄膜中存在大量的給體材料-受體材料相界面來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的激子解離。BHJ薄膜通常是從混合溶液中共沉積兩種半導(dǎo)體來(lái)制備的，并使兩種材料在干燥時(shí)發(fā)生相分離，從而形成給體材料和受體材料的納米級(jí)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。1.1.3太陽(yáng)能電池特性描述通常來(lái)說(shuō)，電池的性能與三個(gè)參數(shù)成正比：在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)照射下(AM1.5G100mW/cm2)的開(kāi)路電壓(VOC)、短路電流密度(JSC)和填充系數(shù)(FF)[9]，如圖1-3所示。這些性能指標(biāo)都可能受到多種不同因素的影響。JSC與吸收光子的數(shù)量、電荷重組相關(guān)的損失、電荷載流子遷移率、電荷產(chǎn)生的效率以及電極處的電荷收集效率有關(guān)。VOC是電池的最大電化學(xué)電勢(shì)，其與供體的HOMO能級(jí)和受體的LUMO能級(jí)之間的差值有關(guān)。同時(shí)，F(xiàn)F會(huì)受到從設(shè)備中提取電荷的難易程度等因素的影響。在過(guò)去的幾年里，為優(yōu)化聚合物太陽(yáng)能電池的光伏性能，一直在進(jìn)行持續(xù)的研究，Huang等人最近發(fā)表的文章中PCE達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的16%[10]，表明這一技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上具有可行性?xún)r(jià)值，可以適用于未來(lái)的電力能源生產(chǎn)。圖1-3太陽(yáng)能電池設(shè)備典型伏安特性Figure1-3Typicalcurrent-voltagecharacteristicforasolarcelldevice

當(dāng)，以實(shí)現(xiàn)有效的電荷解離，并使能量損耗降至最低；(iv)溶液加工性良好，有利于器件的大規(guī)模薄膜加工。為了最大化器件性能，必須優(yōu)化所有上述參數(shù)，這就需要對(duì)聚合物進(jìn)行合理的分子設(shè)計(jì)，包括主鏈和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)[18]。在半導(dǎo)體聚合物中，π軌道的重疊是產(chǎn)生帶隙的主要原因，通過(guò)增強(qiáng)聚合物主鏈的平面性，可以擴(kuò)展共軛長(zhǎng)度增加軌道重疊從而減小帶隙。為此，化學(xué)家已經(jīng)采用了多種技術(shù)，例如使用噻吩類(lèi)衍生物的稠環(huán)系統(tǒng)和含有共軛體系的橋接單元，以及增加醌類(lèi)化合物的性質(zhì)并盡量減小由于主鏈上的空間位阻效應(yīng)所引起的鏈扭轉(zhuǎn)。圖1-4a)聚(對(duì)亞苯基)，聚噻吩和聚異噻吩的芳族和醌型共振形式；b)D-A共聚物設(shè)計(jì)理念Figure1-4a)Aromaticandquinoidresonanceformsofpoly(p-phenylene),polythio-phene,andpolyisothianaphthene；b)D-Acopolymerdesignstrategy目前，高性能的給體聚合物主要有兩種設(shè)計(jì)策略，如圖1-4：第一種是基于在激發(fā)態(tài)下沿聚合物鏈形成醌式共振結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可促進(jìn)電子的離域作用。常用且最流行的構(gòu)建模塊是稠環(huán)系統(tǒng)，例如苯并噻吩類(lèi)衍生物，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出相對(duì)較大的芳香族共振穩(wěn)定能量，可以用來(lái)穩(wěn)定醌式結(jié)構(gòu)[19]。另一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)策略是在共軛聚合物鏈中引入交替的給電子(D)和受電子(A)單元，這樣的話可以在整個(gè)共軛主鏈中形成醌式中介結(jié)構(gòu)(D-A→D+=A—)，從而達(dá)到電子離域的目的[18]，這種類(lèi)型的共聚物，也被稱(chēng)之為交替D-A共軛聚合物。由于富電子單元(D)的HOMO軌道與相鄰的缺電子單元(A)的LUMO軌道之間存在重疊，因此表現(xiàn)出沿著共軛主鏈的優(yōu)秀的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移作用(ICT,intramolecularchargetransferinteraction)[19]。聚合物的HOMO能級(jí)主要由富電子單元(D)的HOMO能級(jí)控制，而聚合物的LUMO能級(jí)主要由缺電子單元(A)的LUMO能級(jí)控制。因?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Achieving over 16% efficiency for single-junction organic solar cells[J]. Baobing Fan,Difei Zhang,Meijing Li,Wenkai Zhong,Zhaomiyi Zeng,Lei Ying,Fei Huang,Yong Cao.  Science China（Chemistry）. 2019(06)



本文編號(hào)：3143300