D-A共聚物是一類在分子主鏈中同時具有電子給體（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)用于聚合物太陽能電池及場效應(yīng)晶體管等方面。苯并噻吩類結(jié)構(gòu)具有高度共軛性和平面性及較強的供電子能力,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)計合成了三種苯并噻吩類單體,并將其作為給體單元與兩種苯并二吡咯酮單體進行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對共聚物光物理性質(zhì)和電化學性質(zhì)的影響。1.設(shè)計合成了二噻吩并苯并二噻吩（DTBDT）分子,通過烷氧基和烷基噻吩對其進行側(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,并對聚合物結(jié)構(gòu)對性能的影響進行了討論。四種聚... 

【文章來源】：青島科技大學山東省

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池示意圖

青島科技大學研究生學位論文3因為給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界面發(fā)生分離。因此，通常在納米級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)學策略自提出以來[7,8]，一直是聚合物太陽能電池研究中流行的活性層結(jié)構(gòu)。BHJ結(jié)構(gòu)相對于雙層結(jié)構(gòu)來說，不僅可以保證相對較厚的活性層混合物薄膜來吸收更多的太陽光輻射，還在薄膜中存在大量的給體材料-受體材料相界面來實現(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體來制備的，并使兩種材料在干燥時發(fā)生相分離，從而形成給體材料和受體材料的納米級網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。1.1.3太陽能電池特性描述通常來說，電池的性能與三個參數(shù)成正比：在1個標準太陽照射下(AM1.5G100mW/cm2)的開路電壓(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電勢，其與供體的HOMO能級和受體的LUMO能級之間的差值有關(guān)。同時，F(xiàn)F會受到從設(shè)備中提取電荷的難易程度等因素的影響。在過去的幾年里，為優(yōu)化聚合物太陽能電池的光伏性能，一直在進行持續(xù)的研究，Huang等人最近發(fā)表的文章中PCE達到創(chuàng)紀錄的16%[10]，表明這一技術(shù)在經(jīng)濟上具有可行性價值，可以適用于未來的電力能源生產(chǎn)。圖1-3太陽能電池設(shè)備典型伏安特性Figure1-3Typicalcurrent-voltagecharacteristicforasolarcelldevice

當，以實現(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)，這就需要對聚合物進行合理的分子設(shè)計，包括主鏈和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)[18]。在半導體聚合物中，π軌道的重疊是產(chǎn)生帶隙的主要原因，通過增強聚合物主鏈的平面性，可以擴展共軛長度增加軌道重疊從而減小帶隙。為此，化學家已經(jīng)采用了多種技術(shù)，例如使用噻吩類衍生物的稠環(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)，例如苯并噻吩類衍生物，因為它們表現(xiàn)出相對較大的芳香族共振穩(wěn)定能量，可以用來穩(wěn)定醌式結(jié)構(gòu)[19]。另一種常見的設(shè)計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共軛主鏈中形成醌式中介結(jié)構(gòu)(D-A→D+=A—)，從而達到電子離域的目的[18]，這種類型的共聚物，也被稱之為交替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能級主要由富電子單元(D)的HOMO能級控制，而聚合物的LUMO能級主要由缺電子單元(A)的LUMO能級控制。因?

【參考文獻】：
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：3143300