畢業(yè)設(shè)計(jì)---應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池給體材料的合成

1、應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池給體材料的合成應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池給體材料的合成摘要太陽(yáng)能電池能夠?qū)⑻?yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，是利用太陽(yáng)能資源的一種非常有效的手段。聚合物太陽(yáng)能電池因其具有成本低、重量輕、制備工藝簡(jiǎn)單和可制成柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]?；谡瓗豆曹椌酆衔锝o體受體復(fù)合材料體系的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高。因此，最近十年來(lái)材料開發(fā)的重點(diǎn)方向之一是發(fā)展窄帶隙的聚合物給體材料213苯并噻二唑由于其具有較高的載流子

2、遷移率，常被用來(lái)合成聚合物半導(dǎo)體作為窄帶隙共聚物骨架中的電子受體單元[2]，又由于其具有較強(qiáng)的共平面性、吸電子能力、較高的氧化電位和較好的空氣穩(wěn)定性因此被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建DA型的有機(jī)共軛分子并應(yīng)用于有機(jī)光電領(lǐng)域。本文以鄰苯二胺為起始原料經(jīng)四步反應(yīng)合成基于以苯并噻二唑?yàn)殡娮邮荏w單元及噻吩組合段作為電子給體單元構(gòu)建出DA交替共聚物——47二(3己基噻吩)213苯并噻二唑，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。關(guān)鍵詞聚合物太陽(yáng)能電池窄帶隙聚合物電子給體單元電子

3、受體單元1前言前言11有機(jī)電致發(fā)光歷史有機(jī)電致發(fā)光歷史作為取之不盡、用之不竭、無(wú)污染的可再生與清潔能源，太陽(yáng)能的充分利用是解決目前人類所面臨的能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題的根本途徑。實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的太陽(yáng)能發(fā)電，是人類夢(mèng)寐以求的追求。在過(guò)去幾十年中，以硅基為代表的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池技術(shù)得到充分的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。但是，由于其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、不易實(shí)現(xiàn)大面積器件以及制造過(guò)程中帶來(lái)的嚴(yán)重環(huán)境污染，限制了硅基太陽(yáng)能電池的大規(guī)模推廣應(yīng)用.1977

4、年，Heeger[3]等人發(fā)現(xiàn)，聚乙炔用I2、AsF5摻雜后電導(dǎo)率從10～6Scm增加到102～103Scm，增幅達(dá)8～9個(gè)數(shù)量級(jí)，傳統(tǒng)意義上的絕緣體表現(xiàn)出導(dǎo)體和半導(dǎo)體的許多光電性質(zhì)，開創(chuàng)了導(dǎo)電聚合物(聚合物半導(dǎo)體)的新時(shí)代。1982年，Weinberger等研究了聚乙炔的光伏性質(zhì)，制造出了第一個(gè)具有真正意義上的太陽(yáng)電池，但是當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率極低(10～3％)。緊接著，Glenis等[45]制作了各種聚噻吩的太陽(yáng)電池，當(dāng)時(shí)都面臨的問(wèn)題是極

5、低的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。1992年，Sariciftci[6]等發(fā)現(xiàn)2甲氧基5(2乙基己氧基)14苯乙2隙。此類聚合物最早的合成報(bào)道見于1992年Havinga等的工作，而將此用作太陽(yáng)能電池給體材料則始于2001年Brabec和Janssen研究小組的工作。實(shí)現(xiàn)窄帶隙的策略主要有:(1)提高主鏈的醌式結(jié)構(gòu)(2)提高主鏈的共平面性即剛性(3)采取富電子基團(tuán)D和缺電子基團(tuán)A的交替共聚。1.2窄帶隙有機(jī)電致發(fā)光材料簡(jiǎn)介窄帶隙有機(jī)電致發(fā)光材

6、料簡(jiǎn)介聚合物能帶隙定義為:聚合物中最高被占用分子軌道(HOMO)與分子最低空余軌道(LUMO)之間的能級(jí)差。能帶隙低于2.0eV，即能吸收波長(zhǎng)在620nm以上光的聚合物，被定義為窄帶隙聚合物。聚(3己基)噻吩的能帶隙約為（1.9eV)，能吸收650nm以下的太陽(yáng)光。研究數(shù)據(jù)表明，在650nm太陽(yáng)光譜中僅有22.4%的光子可以被吸收，因此降低聚合物能帶隙能增加太陽(yáng)光譜中光子的吸收。然而聚合物能帶隙的降低會(huì)使器件的開路電壓降低，從而導(dǎo)致能量

7、轉(zhuǎn)換效率降低。在實(shí)際應(yīng)用中聚合物的最佳能帶隙取決于誘導(dǎo)電荷分離所需要的能量、給體的吸收屬性以及受體的限制條件等。下面簡(jiǎn)要介紹近年來(lái)設(shè)計(jì)、合成新型窄帶隙共軛聚合物類太陽(yáng)能電池材料的研究進(jìn)展。1.2.1聚噻吩類聚噻吩類聚噻吩PAT的構(gòu)型規(guī)整性是很重要的，因?yàn)檫@樣的高分子電導(dǎo)率較高，基于規(guī)整性高分子的有機(jī)光伏打(OPV)器件具有更高的效率。然而早期的合成方法無(wú)法得到規(guī)整性的聚噻吩。迄今為止區(qū)域規(guī)整的P3HT是聚噻吩類材料中性能最好的一種，Re

8、yes2Reyes等報(bào)道的其用在OPV器件中的最高效率為5.2%，器件為以PCBM為電子受體的大型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。Schilinsky等證明OPV器件的性能嚴(yán)重依賴于P3HT的分子量，只有高分子量的P3HT(Mn10000)才能得到高的光電轉(zhuǎn)化效率。原因是高分子量聚合物骨架共軛長(zhǎng)度的增加影響了其光譜吸收屬性。1.2.2聚(34乙撐二氧噻吩乙撐二氧噻吩)(PEDOT)及基于及基于EDOT的共聚物的共聚物PEDOT:PSS在電活性器件以及OPV