苝二酰亚胺衍生物及共轭聚合物光伏材料的合成研究
目前关于太阳能和聚合物电池(PSC)的研究刚刚起步，国外报道十分活跃，但是大部分有机太阳能电池的光电转化效率(PCE)小于5％，直接制约着它的商品化。因此，找出设计新材料的规律或原则以提高器件性能是研究者们关注的焦点。本论文合成了几种海岛位三取代苝二酰亚胺(PBI)衍生物作为活性层添加剂，通过催化偶联的方法合成了新型中等带隙共轭聚合物，应用于光伏器件,以达到提高PCE的目的。主要研究内容如下: 1、设计合成了三种新的海岛位1-烷氧-6，7-二苯氧基不对称取代的PBI5、6、7，是利用相应的两种1，6，7-三苯氧基PBI3、4为原料，进行SNAr2反应得到的。它们被用于PSC活性层添加剂。有趣的是，只有1，6，7-三苯氧基PBI能够发生这种醚交换，而1，6，7，12-四苯氧基PBI8无反应活性。醚交换反应使三取代PBI海岛1位能连有唯一的一个双键基团，且产率55-74％、温度66℃、时间2h。新结构已被1H、13C、DEPT135NMR证实，并且采用UV-vis光谱、FL光谱、CV法表征了这些PBI的光物理和电化学性能。 2、将六种PBI作为添加剂，加入P3HT/PC61BM的活性层中，制成PSC。经过优化和摸索，添加了端烯氧基长链不对称三取代PBI5的器件实现了PCE=3.57％，JSC=9.85mA cm-2，比对照组提高5.6％、7.8％。添加剂的作用主要表现在捕获更多太阳光，促进JSC、EQE、和PCE的增大。研究发现，在JSC的提高方面，不对称长链PBI5、6添加剂明显优于苯氧基PBI3、4、不对称短链PBI7和四取代PBI8。 3、分别采用Stille和Suzuki偶联方法合成了πAπ型三元苯并噻二唑(BT)类和辛氧基苯并噻二唑(OBT)类受体片段A1、A2。首次使用对称及非对称两种Stille偶联路线，合成了πAπAπ型五元受体片段A3、OBT-DT-3、DT-BT-3。新化合物已被1H、13C NMR证实，并且采用UV-vis光谱和CV法计算了八种单体和前驱体的能级和Eg。 4、将OBT受体片段与咔唑供体片段进行Suzuki催化偶联聚合，设计合成了MW=3.1和2万DπAπA型中等带隙交替共轭聚合物X2-717和X2-526。同时也使用Suzuki偶联，高产率地得到了MW=8.7万的DπA型共轭聚合物X1。上述聚合物通过GPC、1H NMR表征了分子量和结构。DSC、TG表征了它们的热学性能，UV-vis光谱和CV测试了其光学和电化学性能，并计算了能级和Eg。 5、使用DπAπA和DπA型共轭聚合物X2和X1作为供体，组装了ITO/PEDOT∶PSS/polymer∶PC71BM/Ca/Al结构的PSC。经过工艺优化和溶剂后处理，DπAπA型聚合物X2-717实现了最佳的PCE=4.74％，高VOC=0.99V，增强的JSC=9.70mA cm-2，比DπA型聚合物X1PCE提高了17％，JSC提高了26％。
光伏材料;苝二酰亚胺衍生物;共轭聚合物;合成工艺
北京化工大学
博士
材料科学与工程
李齐方
2017
中文
TB342
120
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）