苯并呋喃共轭聚合物的合成及其光伏性能研究.pdf

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1、博士学位论文苯并呋喃共轭聚合物的合成及其光伏性能研究THESYNTHESISOFCONJUGATEDPOLYMERBASEDBENZOFURANANDTHESTUDYOFITSPHOTOVOLTAICPERFORMANCE高跃岳哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TM914.4学校代码：10213国际图书分类号：540密级：公开工学博士学位论文苯并呋喃共轭聚合物的合成及其光伏性能研究博士研究生：高跃岳导师：杨玉林教授副导师：张勇教授申请学位：工学博士学科：化学工程与技术所在单位：化工与化学学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:T

2、M914.4U.D.C:540DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHESYNTHESISOFCONJUGATEDPOLYMERBASEDBENZOFURANANDTHESTUDYOFITSPHOTOVOLTAICPERFORMANCECandidate：GaoYueYueSupervisor：Prof.YangYulinViceSupervisor：Prof.ZhangYongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ChemicalEngineeringandT

3、echnologySchoolofChemistryandChemicalAffiliation：EngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要有机聚合物太阳能电池由于质量轻、价格低廉、柔韧性好、可通过旋涂、丝网印刷或喷墨打印实现卷对卷大面积制备器件等优点，被认为是未来最有希望大规模应用的第三代太阳能电池。目前，有机聚合物太阳能电池中大部分给体材料是苯并噻吩基聚合物。但是作为最初原料的噻吩储量少、工业制备能耗大、易产生污染。上述缺点限制了苯并噻

4、吩基聚合物的大规模制备。呋喃作为噻吩同族物质，来源广泛、制备工艺成熟、无污染。最重要的是相同结构的苯并呋喃基聚合物表现出与苯并噻吩基聚合物相近甚至更高的光伏性能。然而不管从聚合物数量还是电池最高效率方面统计，苯并呋喃基聚合物都落后于苯并噻吩基聚合物。为了丰富苯并呋喃基聚合物体系，本论文通过对聚合物主链和侧链改性，制备了系列新型D-A型苯并呋喃基聚合物，并对制备的系列苯并呋喃基聚合物的热学性质、分子构型、光学性质、电化学性质、分子堆积行为及光伏性能进行了系统探究。主要工作分为以下几部分：分别以噻吩[2,3-f]苯并呋喃(TBF)和苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)作给体单元

5、，噻吩并吡咯烷酮(TPD)作受体单元，制备了聚合物PTBFTPD和PBDTTPD。系统地研究了呋喃引入聚合物主链对聚合物热学性质、共轭程度、吸收光谱、电化学能级、分子堆积行为和光伏性能的影响。与PBDTTPD相比，PTBFTPD共轭程度增加、最高占据分子轨道(HOMO)能级降低、分子层间距减小。PTBFTPD富勒烯电池效率可达4.33%。相同条件下，PBDTTPD富勒烯电池效率仅为3.29%。选取空间位阻较小的含噻吩π桥双氟苯并三氮唑(fBz)作受体单元，与噻吩[2,3-f]苯并呋喃(TBF)共聚制备了聚合物PTBFBz，进而对其热稳定性、分子构型、光学性质、HOMO能级、XRD性质及

6、光伏性能进行了系统的研究。PTBFBz具有较大共轭平面、较低HOMO能级、较小分子链间和层间距。PTBFBz:PC71BM电池效率为4.52%。由于PTBFBz与小分子ITIC在光谱和能级方面匹配度更高，因此PTBFBz:ITIC电池效率高达8.33%。为了增加苯并呋喃基聚合物分子共轭程度，将PTBFBz中噻吩[2,3-f]苯并呋喃(TBF)单元替换为苯并[1,2-b:4,5-b′]二呋喃(BDF)，同时在BDF引入烷基呋喃侧链，制备了聚合物PBDFT-Bz和PBDFF-Bz。系统地研究了聚合物主链及侧链变化对聚合物的光物理性质、分子扭转角、前线轨道能级及光伏性能的影响。与PTBFBz

7、相比，PBDFT-Bz和PBDFF-Bz分子扭转角减小、吸收红移。PBDFF-BzI哈尔滨工业大学工学博士学位论文较PBDFT-Bz吸收增强、HOMO能级降低、分子链间和层间距减小。PBDFF-Bz/PBDFT-Bz:PC71BM电池效率分别为5.07%和4.04%。PBDFF-Bz/PBDFT-Bz:ITIC电池效率分别可达9.46%和9.26%。PBDFF-Bz/PBDFT-Bz:m-ITIC电池效率进一步分别增加为10.28%和9.84%