【摘要】：人口的增長和工業(yè)化發(fā)展,使得人類對能源的需要量越來越大。現(xiàn)在主要的能源-石化資源依照現(xiàn)在的消耗速度僅能維持幾十年使用。為了解決發(fā)展與能源需求之間的矛盾,尋找新型,綠色,環(huán)保,可再生的能源成為一個亟須解決的世界問題。太陽能很早就開始為人類所利用,加上太陽能取之不盡,在能源危機(jī)出現(xiàn)的現(xiàn)在更是大受重視。現(xiàn)在太陽能利用的效率和途徑限制了這個行業(yè)的發(fā)展,如何用盡可能低成本將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,是整個科技界共同努力解決的一個問題。與傳統(tǒng)無機(jī)硅太陽能電池相比,有機(jī)太陽電池(organic solar cell,OSC)具有質(zhì)輕,低成本,柔性,可實現(xiàn)印刷加工(roll-to-roll printing)和大面積而受到廣泛關(guān)注。目前,文獻(xiàn)報道的有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過10%,但要真正實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還有很多問題需要解決。有機(jī)太陽能電池的效率和壽命問題,除了工藝的優(yōu)化和革新,更多的是依靠新材料的合成和設(shè)計。聚合物近紅外探測器是有機(jī)光電的另一個重要分支,相比傳統(tǒng)無機(jī)近紅外探測器材料(硅,銦砷化鎵等)具有低成本,易于加工,寬的光響應(yīng)范圍,高靈敏度,可實現(xiàn)從紫外,可見光,近紅外的大范圍探測。在生物傳感,夜間成像,環(huán)境監(jiān)測方面有巨大實用價值。從材料設(shè)計合成角度來看,設(shè)計合成寬吸收光譜,結(jié)構(gòu)簡單,可溶液加工的新型聚合物近紅外材料是這個領(lǐng)域的主要突破口。本論文通過吡啶噻二唑單元,氟代苯并噻二唑等具有化學(xué)優(yōu)先選擇性的雜環(huán)設(shè)計合成具有分子內(nèi)局域規(guī)整性的有機(jī)太陽電池給體材料,并對光電性能的影響進(jìn)行研究。第二章,我們根據(jù)weak donor srong aceptor設(shè)計思路出發(fā),以9-亞甲基芴為電子給體,通過suzuki偶聯(lián)與吡啶噻二唑,氟代苯并噻二唑,苯并噻二唑等不同吸電子強(qiáng)度的電子受體,合成了一系列局域規(guī)整的可溶液加工小分子太陽電池給體材料,并仔細(xì)對比不同吸電子單元對能級,光譜,光電性能的調(diào)控效應(yīng)。第三章,聚合物的多分散性決定聚合物是由不同分子鏈長度,不同末端基分子組成的混合物。我們合成一系列基于二噻吩并噻咯和苯并噻二唑單元構(gòu)筑的共軛齊聚物,共軛聚合物結(jié)構(gòu)確定,可以作為模型化合物來研究同結(jié)構(gòu)單元構(gòu)筑的PSBTBT聚合物給體材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。在這一系列不同共軛鏈長的共軛齊聚物中,隨著共軛鏈長的增長,光譜紅移,帶隙變窄,摩爾吸收系數(shù)增大,光伏性能和形貌向有利方向發(fā)展。在第四章,我們利用第三章工作中的ADA中間體,與不同富電子能力的電子給體進(jìn)行Stille聚合合成規(guī)整的D2-A-D1-A三元聚合物。相比傳統(tǒng)的DA交替共聚物相比,可以通過D2單元對能級和光譜進(jìn)行微調(diào),同時D2和D1側(cè)鏈的變化可以使聚合物在溶解性和π-π堆積上達(dá)到一個較好的平衡,其中PBDT-O-ADA器件效率4%,比同側(cè)鏈的二噻吩并噻咯與苯并噻二唑聚合物效率提升。第五章,我們將第四章的ADA前驅(qū)體的D由二噻吩并噻咯替換成給電子能力更弱的苯并二噻吩單元,A單元換成吸電子能力更強(qiáng)的吡啶并噻二唑單元,這樣更符合weak donor srong aceptor設(shè)計思路。同時通過Stille偶聯(lián)與一些高效能的電子給體如噻吩并環(huán)戊二烯,苯并二噻吩,Indancenodithiophene聚合,優(yōu)化光電性能,其中PBDTTEHPBP能量轉(zhuǎn)化效率最好為4.96%.第六章,我們合成吡啶硒二唑和一種新雜環(huán)氟代苯并硒二唑單元,通過合成規(guī)整朝向ADA中間體與噻吩并環(huán)戊二烯單體共聚,合成兩個近紅外材料。其中,CDTPSE的光響應(yīng)達(dá)到1100nm,在有機(jī)近紅外探測器方面有巨大應(yīng)用潛力。第七章,我們合成基于苯并二噻吩與氟代硒二唑為核的D2-A-D1-A規(guī)整聚合物,對比了苯并二噻吩不同側(cè)鏈對光電性能的影響,并將其應(yīng)用于有機(jī)太陽電池中。
[Abstract]:Population growth and industrialization have led to a growing demand for energy. Now the main energy-petrochemical resource can only be used for several decades, according to the current consumption rate. In order to solve the contradiction between development and energy demand, a new, green, environment-friendly and renewable energy source has become a world problem to be solved. Solar energy has long begun to be used by human beings, coupled with the inexhaustible solar energy, which is now more and more important in the energy crisis. The efficiency and path of solar energy now limits the industry's development, and how to convert solar energy into electrical energy with the lowest possible cost is a problem that can be solved through joint efforts across the globe. Compared with the traditional inorganic silicon solar cell, the organic solar cell (OSC) has the advantages of light weight, low cost and flexibility, and can realize the wide attention of roll-to-roll printing and large-area. At present, the photoelectric conversion efficiency of organic solar cells reported in the literature has exceeded 10%, but there are still many problems to be solved in order to realize large-scale commercial application. The efficiency and lifetime of the organic solar cell, in addition to the optimization and innovation of the process, is more dependent on the synthesis and design of new materials. the near infrared detector of the polymer is another important branch of organic photoelectric, Near-infrared range detection. and has great practical value in the aspects of biological sensing, night imaging and environmental monitoring. From the viewpoint of material design and synthesis, the new polymer near-infrared material with wide absorption spectrum, simple structure and solution processing is the main breakthrough in this field. In this paper, the organic solar cell material with local regularity in the molecule is synthesized by using a heterocyclic design with a chemical preferential selectivity, such as difluorobenzene diethylamine unit, fluorobenzene and diethylamine, etc., and the influence of the photoelectric property is studied. In the second chapter, based on the design thought of the weak Hellor srong acieptor, the electron donor of 9-methylene group is used as electron donor, and the electron acceptors with different electron absorption intensities such as difluorobenzene and difluorobenzene are coupled through suzbach. In this paper, a series of locally structured small molecule solar cell donor materials are synthesized, and the regulation effect of different electron withdrawing units on energy level, spectrum and photoelectric performance is carefully compared. In chapter three, the polydispersity of the polymer determines that the polymer is a mixture of different molecular chain lengths, different end-group molecules. The structure and properties of PSBBT polymer (PSBBT) polymer constructed by the same structural unit can be studied as a model compound. With the increase of chain length, the spectrum became red, the band gap became narrower, the molar absorption coefficient was increased, and the photovoltaic performance and morphology developed in favorable direction. In chapter 4, we use ADA intermediate in the third chapter to synthesize a regular D2-A-D1-A terpolymer with electron donor with different electron-rich ability. Compared with the traditional DA alternating copolymer, the energy level and the spectrum can be fine-tuned by D2 units, and meanwhile, the change of the D2 and D1 side chains can lead the polymer to achieve a better balance on the solubility and the carbon-acid accumulation, wherein the efficiency of the PBDT-O-DA device is 4 percent, which is higher than that of the diethylamine of the same side chain and improves the efficiency of the two-phase polymerization of benzene and benzene. In the fifth chapter, we replace the D of the ADA precursor in chapter 4 with the benzidine which is weaker in the electron capacity, and replace it with a two-way unit, which is more suitable for the design idea of the weak writer. At the same time, the photoelectric properties are optimized by Stille coupling and some high-performance electron donor such as trimethylamine and cyclopentadiene, benzene and dibenzidine, and the efficiency of PBDTEHPBP energy conversion is preferably 4.96%. In chapter 6, we synthesized two kinds of near-infrared materials by synthesizing Se _ 2O _ 2 and a new heterocyclic fluorine-substituted benzene and selenium-diethylamine unit. Among them, the light response of CDTPSE reaches 1100nm, and it has great potential for application in organic near infrared detector. In chapter 7, we synthesized the D2-A-D1-A structured polymer based on benzene and diethylamine as the core, compared the influence of different side chains on the photoelectric properties and applied it to the organic solar cell.
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4;O631

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本文編號：2308402