| 题名 | 含硫侧链取代喹喔啉基聚合物的合成及其在有机太阳能电池中的应用 |
| 作者 | 欧阳丹 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2015-06 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 阳仁强 ; 王宁 |
| 关键词 | 有机太阳能电池 给体材料 共轭聚合物 喹喔啉衍生物 共轭长度 |
| 其他题名 | Conjugated Polymers Based on Quinoxaline with Sulfur-containing Side Chains: Synthesis andApplication in Organic Solar Cells |
| 学位专业 | 材料工程 |
| 中文摘要 | 随着全球能源需求的不断增加，非可再生能源的不断消耗，以及各种环境问题的日益突出，人们越来越关注可再生能源的开发与利用。可再生能源种类很多，太阳能是其中非常重要的一种。聚合物太阳能电池（PSCs）因其具有质轻、价廉、易于实现大面积制备等优点，成为太阳能电池研究领域的热点话题。到目前为止，单层异质结电池器件的能量转换效率（PCE）已超过9%，叠层异质结电池器件的PCE达到10%以上。虽然PSCs的发展速度惊人，但实现大规模商业化生产仍是比较艰巨的任务。 本论文从窄带隙聚合物的设计原理出发，通过改变喹喔啉（Qx）2，3位的取代基团，设计出三个缺电性电子受体：5,8-二溴-1,3-二氢噻吩[3,4-b]喹喔啉（本论文中简写为CQS）、5,8-二溴-2,3-二（正辛硫基甲基）喹喔啉（本论文中简写为QS）、5,8-二溴-2,3-二（5-正辛硫基噻吩-2）喹喔啉（本论文中简写为QTS）；然后采用苯并二噻吩（BDT）、噻吩(T)、茚二噻吩（IDT）、双-2-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑（DTBT）等单元共聚，构建一系列D-A型窄带隙共轭聚合物。 在第二章中，从提高溶解性和增强共轭程度的角度出发，我们设计三种喹喔啉衍生物及相应聚合物，并探讨它们结构与性能间的关系。首先，将一个饱和五元含硫杂环引入至喹喔啉体系合成单体CQS，与BDT通过Stille聚合得到聚合物PBDTCQS；其次，进一步优化CQS分子结构，将含硫五元环打开，在2,3位分别引入两条正辛基侧链得到喹喔啉衍生物QS，与BDT共聚得到相应聚合物PBDTQS；最后，我们用噻吩环替换原来的碳原子设计出单体QTS，与BDT结合得到共聚物PBDTQTS。其中基于PBDTQTS有机聚合物太阳能电池在三者中性能最佳，最优条件下PCE是2.78%，其中开路电压（Voc）是0.80 V，短路电流（Jsc）是6.96 mA/cm2，填充因子（FF）是0.50 (AM 1.5G 100 mW/cm2)。据了解，在喹喔啉侧链中引入硫原子的相关报道较少，我们成功合成出一系列侧链含硫的喹喔啉基窄带隙共轭聚合物。 在第三章中，我们使用QTS作为基本结构单元，分别与三个具有不同给受电子能力的单体（IDT、Thiophene、DTBT）通过Stille方法共聚，得到三种新的共轭聚合物，即PIDTQTS、PTQTS、PDTBTQTS。在共聚物PIDTQTS和PTQTS中，QTS作为电子受体，但在共聚物PDTBTQTS中则作为弱的电子给体。我们分别从紫外-可见（UV-vis）吸收光谱、能级水平、光伏性能等方面对该三种聚合物进行研究，得到基于该三种共聚物PSCs的光电转换效率分别为3.37%、3.73%、1.20%。初步的实验结果表明，我们设计的喹喔啉衍生物QTS不仅是不错的电子受体，而且可作为弱给体用于构筑donor (D) – acceptor (A)型的共轭聚合物，大大拓宽了其在有机太阳能电池中的研究应用。 在第四章中，我们利用喹喔啉基聚合物各结构单元间的弱相互作用来提高其光伏性能。以QTS为受体单元，噻吩-2,5-二（2-乙基己基）苯-噻吩（TBT）为给体单元，我们设计合成出一种新型的窄带隙聚合物PTBTQTS。该聚合物中，烷氧基团中的氧（O）和噻吩单元中的硫（S）形成O…S间的非共价键相互作用，同时QTS中的N…H-C也利用非共价键“构象锁”效应，增强聚合物共平面性，有效减小聚合物主链的扭转角度，促进分子间π-π堆积作用，提高材料的空穴迁移率。将该共聚物制备传统器件，在AM 1.5G 100 mW/cm2模拟光照下得到PCE是5.42%，Voc是0.92 V，Jsc是10.11 mA/cm2，FF是0.58%。实验结果充分证明，通过侧链基团间的非共价键作用能有效增加聚合物分子平面性，调节链间的堆积作用，提高电荷迁移率及光电转换效率。 |
| 英文摘要 | 随着全球能源需求的不断增加，非可再生能源的不断消耗，以及各种环境问题的日益突出，人们越来越关注可再生能源的开发与利用。可再生能源种类很多，太阳能是其中非常重要的一种。聚合物太阳能电池（PSCs）因其具有质轻、价廉、易于实现大面积制备等优点，成为太阳能电池研究领域的热点话题。到目前为止，单层异质结电池器件的能量转换效率（PCE）已超过9%，叠层异质结电池器件的PCE达到10%以上。虽然PSCs的发展速度惊人，但实现大规模商业化生产仍是比较艰巨的任务。 本论文从窄带隙聚合物的设计原理出发，通过改变喹喔啉（Qx）2，3位的取代基团，设计出三个缺电性电子受体：5,8-二溴-1,3-二氢噻吩[3,4-b]喹喔啉（本论文中简写为CQS）、5,8-二溴-2,3-二（正辛硫基甲基）喹喔啉（本论文中简写为QS）、5,8-二溴-2,3-二（5-正辛硫基噻吩-2）喹喔啉（本论文中简写为QTS）；然后采用苯并二噻吩（BDT）、噻吩(T)、茚二噻吩（IDT）、双-2-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑（DTBT）等单元共聚，构建一系列D-A型窄带隙共轭聚合物。 在第二章中，从提高溶解性和增强共轭程度的角度出发，我们设计三种喹喔啉衍生物及相应聚合物，并探讨它们结构与性能间的关系。首先，将一个饱和五元含硫杂环引入至喹喔啉体系合成单体CQS，与BDT通过Stille聚合得到聚合物PBDTCQS；其次，进一步优化CQS分子结构，将含硫五元环打开，在2,3位分别引入两条正辛基侧链得到喹喔啉衍生物QS，与BDT共聚得到相应聚合物PBDTQS；最后，我们用噻吩环替换原来的碳原子设计出单体QTS，与BDT结合得到共聚物PBDTQTS。其中基于PBDTQTS有机聚合物太阳能电池在三者中性能最佳，最优条件下PCE是2.78%，其中开路电压（Voc）是0.80 V，短路电流（Jsc）是6.96 mA/cm2，填充因子（FF）是0.50 (AM 1.5G 100 mW/cm2)。据了解，在喹喔啉侧链中引入硫原子的相关报道较少，我们成功合成出一系列侧链含硫的喹喔啉基窄带隙共轭聚合物。 在第三章中，我们使用QTS作为基本结构单元，分别与三个具有不同给受电子能力的单体（IDT、Thiophene、DTBT）通过Stille方法共聚，得到三种新的共轭聚合物，即PIDTQTS、PTQTS、PDTBTQTS。在共聚物PIDTQTS和PTQTS中，QTS作为电子受体，但在共聚物PDTBTQTS中则作为弱的电子给体。我们分别从紫外-可见（UV-vis）吸收光谱、能级水平、光伏性能等方面对该三种聚合物进行研究，得到基于该三种共聚物PSCs的光电转换效率分别为3.37%、3.73%、1.20%。初步的实验结果表明，我们设计的喹喔啉衍生物QTS不仅是不错的电子受体，而且可作为弱给体用于构筑donor (D) – acceptor (A)型的共轭聚合物，大大拓宽了其在有机太阳能电池中的研究应用。 在第四章中，我们利用喹喔啉基聚合物各结构单元间的弱相互作用来提高其光伏性能。以QTS为受体单元，噻吩-2,5-二（2-乙基己基）苯-噻吩（TBT）为给体单元，我们设计合成出一种新型的窄带隙聚合物PTBTQTS。该聚合物中，烷氧基团中的氧（O）和噻吩单元中的硫（S）形成O…S间的非共价键相互作用，同时QTS中的N…H-C也利用非共价键“构象锁”效应，增强聚合物共平面性，有效减小聚合物主链的扭转角度，促进分子间π-π堆积作用，提高材料的空穴迁移率。将该共聚物制备传统器件，在AM 1.5G 100 mW/cm2模拟光照下得到PCE是5.42%，Voc是0.92 V，Jsc是10.11 mA/cm2，FF是0.58%。实验结果充分证明，通过侧链基团间的非共价键作用能有效增加聚合物分子平面性，调节链间的堆积作用，提高电荷迁移率及光电转换效率。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 一级学科 |
| 公开日期 | 2016 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.qibebt.ac.cn/handle/337004/8101]  |
| 专题 | 青岛生物能源与过程研究所_先进有机功能材料团队 |
| 作者单位 | 中科院青岛生物能源与过程研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 欧阳丹. 含硫侧链取代喹喔啉基聚合物的合成及其在有机太阳能电池中的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015. |
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