本文關(guān)鍵詞：基于含氧族雜原子的苯并二唑的D-A型共軛聚合物的合成與光電性能，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：當(dāng)今,人類社會發(fā)展面臨的能源問題尤為突出。新材料科技作為新技術(shù)革命的基礎(chǔ)和先導(dǎo),在減少能源消耗和利用新能源發(fā)揮著越來越大的作用,尤其是體現(xiàn)在太陽能的開發(fā)和利用上。聚合物太陽電池(PSCs)因其生產(chǎn)成本較低且可通過溶液加工實現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)等優(yōu)勢而吸引了廣泛關(guān)注。目前,PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率已突破10%,但距離商業(yè)應(yīng)用的門檻依然有不小的距離。效率和穩(wěn)定性依然是當(dāng)前PSCs研究的兩大科學(xué)問題,這都與PSCs的活性層材料有重要關(guān)系。設(shè)計合成能級合適、吸光能力強(qiáng)、載流子傳輸性能好的聚合物給體材料依然是PSCs研究的重點。本論文首先綜述了聚合物給體材料。為了更好的理解結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,我們對這些聚合物進(jìn)行了合理的分類,便于發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律與變化。在此基礎(chǔ)上,我們圍繞含氧族元素(O,S,Se)的苯并二唑稠環(huán)單元,合成了雙氟代苯并噻二唑(FBT)、雙氟代苯并硒二唑(FBS)、烷氧基苯并噻二唑和烷氧基苯并氧二唑等四種受電子芳香稠環(huán),以此構(gòu)筑了多種D-A型聚合物給體,研究了其結(jié)構(gòu)對光電性能的關(guān)系。同時,我們也獲得一系列高遷移率、高能量轉(zhuǎn)換效率的聚合物給體材料。在第三章,針對大部分高效率的聚合物給體材料的因空穴傳輸能力不夠高,而在厚膜聚合物太陽電池表現(xiàn)不佳的問題,我們發(fā)展了利用高遷移率給體材料提高厚膜太陽電池效率的學(xué)術(shù)思想。我們設(shè)計了由FBT與烷基化的聯(lián)四噻吩構(gòu)筑的光學(xué)帶隙為1.62 e V的D-A型聚合物FBT-Th4(1,4),其吸收光譜表明分子鏈間聚集能力很強(qiáng),而且這種鏈間聚集有分子量和溫度的依賴性。我們研究了分子量對光電性能的影響,結(jié)果表明提高分子量有利于獲得更好的聚合物場效應(yīng)晶體管(OFET)和太陽電池性能。FBT-Th4(1,4)表現(xiàn)出優(yōu)異的空穴傳輸能力和PSCs性能,經(jīng)100 oC退火的OFET空穴遷移率高達(dá)1.92cm2/(Vs);倒裝PSCs器件的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7.64%,而且在活性層厚度在100~440 nm之間的效率都超過6.5%。經(jīng)進(jìn)一步的活性層給體材料及形貌的優(yōu)化,效率可達(dá)到9.27%。在第四章,我們用HOMO能級小的單噻吩與噻吩并[3,2-b]噻吩取代聯(lián)噻吩使相應(yīng)的D-A型聚合物FBT-DT24-1T和FBT-DT24-TT的HOMO較小而獲得較高的開路電壓。但FBT-DT24-1T的高分子鏈間聚集能力弱,吸光能力低,FET空穴遷移率僅有2.6×10-3cm2/(Vs),其太陽電池器件的效率低于1%。而FBT-DT24-TT的高分子鏈間聚集能力比FBT-Th4(1,4)還強(qiáng),吸光能力高,FET空穴遷移率達(dá)到10-1 cm2/(Vs)水平。分子量對電池性能有較大的影響。基于FBT-DT24-TT-L的倒裝結(jié)構(gòu)PSCs的效率僅有3.47%。而FBT-DT24-TT-H的器件效率達(dá)到了7.34%,通過添加5%體積分?jǐn)?shù)的氯萘優(yōu)化形貌,可以使效率進(jìn)一步提高到7.78%,而且在活性層厚度為100~355 nm的效率都超過6.5%。經(jīng)進(jìn)一步的活性層形貌的優(yōu)化,效率可達(dá)到8.81%。在第五章,我們進(jìn)一步拓展了由FBT和噻吩衍生物構(gòu)筑的D-A型聚合物給體材料體系,以(E)-2-(2-(噻吩-2-基)乙烯基)噻吩和聯(lián)硒吩取代FBT-Th4(1,4)重復(fù)單元的中間的聯(lián)噻吩,得到了共軛聚合物FBT-DT24-TVT和FBT-DT24-Bi Se。電化學(xué)測試表明兩個材料的HOMO能級都比FBT-Th4(1,4)大,與PC71BM共混比為1:1.5,以含3%氯萘的氯苯作為加工溶劑時,基于FBT-DT24-TVT和FBT-DT24-Bi Se的正裝聚合物太陽電池器件,盡管開路電壓只有~0.69 V,但短路電流和填充因子較高,因而效率分別可達(dá)到5.73%和6.08%。在第六章,我們合成了FBT的類似物FBS,并首次合成了與聯(lián)四噻吩及其衍生物的D-A型聚合物。與前面所述的幾個基于FBT的高性能窄帶隙聚合物相比,基于FBS的聚合物給體材料聚集能力明顯減弱,雖然吸收光譜明顯紅移,但是Se的引入使HOMO能級抬高,導(dǎo)致了器件的開路電壓降低,空穴傳輸性能及光伏性能也明顯不如前者。在第七章,我們合成了烷氧基修飾的苯并噻二唑及苯并氧二唑,與HOMO能級小烷氧基菲構(gòu)筑了具有較深HOMO能級的D-A型聚合物PPA-DTBT和PPA-DTBX,相應(yīng)的太陽電池器件的開路電壓為~0.86 V。雖然效率分別只有3.03%和1.77%,但是我們的結(jié)果表明了菲作為給電子單元應(yīng)用在構(gòu)筑D-A型聚合物有利于提高PSCs器件的開路電壓。
【關(guān)鍵詞】：有機(jī)場效應(yīng)晶體管 聚合物太陽電池 氟代共軛聚合物 鏈間聚集 苯并二唑
【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
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-24
• 1.1 引言13
• 1.2 聚合物太陽電池（PSCs）簡介13-21
• 1.2.1 聚合物太陽電池（PSCs）的發(fā)展與現(xiàn)狀14
• 1.2.2 聚合物太陽電池的器件結(jié)構(gòu)14-17
• 1.2.3 聚合物太陽電池的工作原理17-20
• 1.2.4 聚合物太陽電池的器件的性能參數(shù)20-21
• 1.3 本論文的研究內(nèi)容與創(chuàng)新之處21-24
• 1.3.1 本論文的研究內(nèi)容21-22
• 1.3.2 本論文的創(chuàng)新之處22-24
• 第二章 聚合物太陽電池給體材料的設(shè)計與應(yīng)用24-51
• 2.1 p-共軛體系的分子設(shè)計24-28
• 2.1.1 窄帶隙共軛聚合物的設(shè)計24-27
• 2.1.1.1 提高材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的醌式特性25
• 2.1.1.2 分子修飾25-26
• 2.1.1.3 設(shè)計D-A型聚合物26-27
• 2.1.2 分子的弱相互作用對于有機(jī)半導(dǎo)體材料的作用27-28
• 2.2 聚合物給體材料28-51
• 2.2.1 聚對苯撐乙烯類聚合物給體28-29
• 2.2.2 聚噻吩類聚合物給體29-31
• 2.2.3 D-A型聚合物給體31-48
• 2.2.3.1 基于 2,1,3-苯并噻二唑的D-A型聚合物給體31-38
• 2.2.3.2 基于喹喔啉的D-A型聚合物給體38
• 2.2.3.3 基于吡咯酮吡咯酮的D-A型聚合物給體38-41
• 2.2.3.4 基于噻吩并酰亞胺的D-A型聚合物給體41-43
• 2.2.3.5 基于異靛藍(lán)的D-A型聚合物給體43-44
• 2.2.3.6 基于萘二并噻二唑的D-A型聚合物給體44-45
• 2.2.3.7 其他重要的D-A型聚合物給體45-48
• 2.2.4 醌式結(jié)構(gòu)聚合物給體48-51
• 第三章 氟代苯并噻二唑和聯(lián)四噻吩D-A型聚合物的研究51-77
• 3.1 引言51-52
• 3.2 實驗部分52-61
• 3.2.1 實驗試劑與原料52-53
• 3.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器53-54
• 3.2.3 聚合物場效應(yīng)晶體管的制備與性能測試54
• 3.2.4 聚合物太陽能電池的制備與性能測試54-55
• 3.2.5 有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的表面分析55-56
• 3.2.6 空間電荷限制電流法測定載流子遷移率56
• 3.2.7 基于 5,6-二氟-2,1,3-苯并噻二唑的單體及聚合物的合成與表征56-61
• 3.3 結(jié)果與討論61-75
• 3.3.1 聚合物FBT-Th_4(1,4)的合成和表征61-63
• 3.3.2 聚合物FBT-Th_4(1,4)的熱性能63-64
• 3.3.3 聚合物FBT-Th_4(1,4)的紫外吸收特性和能級64-66
• 3.3.4 聚合物FBT-Th_4(1,4)的場效應(yīng)晶體管性能66-70
• 3.3.5 聚合物FBT-Th_4(1,4)的光伏性能70-75
• 3.4 本章小結(jié)75-77
• 第四章 氟代苯并噻二唑和聯(lián)三噻吩、噻吩并噻吩D-A聚合物的合成及光電性能77-95
• 4.1 引言77-78
• 4.2 實驗部分78-82
• 4.2.1 實驗試劑與原料78-79
• 4.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器79
• 4.2.3 聚合物場效應(yīng)晶體管的制備與性能測試79
• 4.2.4 聚合物太陽能電池的制備與性能測試79
• 4.2.5 有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的表面分析79
• 4.2.6 空間電荷限制電流法測定空穴遷移率79
• 4.2.7 基于 5,6-二氟-2,1,3-苯并噻二唑的單體及聚合物的合成與表征79-82
• 4.3 結(jié)果與討論82-93
• 4.3.1 聚合物FBT-DT_(24)-1T和FBT-DT_(24)-TT的合成和表征82-83
• 4.3.2 聚合物FBT-DT_(24)-1T和FBT-DT_(24)-TT的熱性能83-84
• 4.3.3 聚合物FBT-DT_(24)-1T和FBT-DT_(24)-TT的紫外吸收特性和能級84-87
• 4.3.4 聚合物的場效應(yīng)晶體管性能（OFET）87-89
• 4.3.5 聚合物FBT-DT_(24)-1T和FBT-DT_(24)-TT的光伏性能89-93
• 4.4 本章小結(jié)93-95
• 第五章 氟代苯并噻二唑與齊聚噻吩D-A型聚合物體系的擴(kuò)展95-108
• 5.1 引言95-96
• 5.2 實驗部分96-101
• 5.2.1 實驗試劑與原料96-97
• 5.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器97
• 5.2.3 聚合物太陽能電池的制備與性能測試97
• 5.2.4 基于 5,6-二氟-2,1,3-苯并噻二唑的單體及聚合物的合成與表征97-101
• 5.3 結(jié)果與討論101-107
• 5.3.1 聚合物FBT-DT_(24)-TVT和FBT-DT_(24)-BiSe的合成和表征101
• 5.3.2 聚合物FBT-DT_(24)-TVT和FBT-DT_(24)-BiSe的熱性能101-103
• 5.3.3 聚合物FBT-DT_(24)-TVT和FBT-DT_(24)-BiSe的紫外吸收特性和能級103-104
• 5.3.5 聚合物FBT-DT_(24)-TVT和FBT-DT_(24)-BiSe的光伏性能104-107
• 5.4 本章小結(jié)107-108
• 第六章 基于氟代苯并硒二唑的D-A型共軛聚合物108-120
• 6.1 引言108-109
• 6.2 實驗部分109-112
• 6.2.1 實驗試劑與原料109
• 6.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器109
• 6.2.3 聚合物太陽能電池的制備與性能測試109
• 6.2.4 空間電荷限制電流法測定空穴遷移率109
• 6.2.5 基于 5,6-二氟-2,1,3-苯并硒二唑的單體及聚合物的合成與表征109-112
• 6.3 結(jié)果與討論112-118
• 6.3.1 基于氟代苯并硒二唑的D-A型聚合物的合成和表征112-113
• 6.3.2 基于氟代苯并硒二唑的D-A型聚合物的熱性能113-114
• 6.3.3 基于氟代苯并硒二唑的D-A型聚合物的紫外吸收特性和能級114-116
• 6.3.4 基于氟代苯并硒二唑的D-A型聚合物的光伏性能116-118
• 6.4 本章小結(jié)118-120
• 第七章 基于烷氧基菲的D-A型共軛聚合物的研究120-130
• 7.1 引言120
• 7.2 實驗部分120-122
• 7.2.1 實驗試劑與原料120-121
• 7.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器121
• 7.2.3 基于 9,10-雙十二烷氧基菲的單體及聚合物的合成與表征121-122
• 7.3 結(jié)果與討論122-129
• 7.3.1 聚合物的合成和表征122-124
• 7.3.2 聚合物的熱穩(wěn)定性124-125
• 7.3.3 聚合物的紫外吸收特性和能級125-126
• 7.3.4 聚合物的光伏性能126-129
• 7.4 本章小結(jié)129-130
• 結(jié)論130-132
• 參考文獻(xiàn)132-151
• 附錄151-153
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果153-156
• 致謝156-157
• 附件157

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