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聚合物太阳能电池具有质量轻、成本低、可溶液加工以及能制备成大面积的柔性器件等很多优点,因此,它受到了人们很大的关注。但是,它的能量转换效率仍然还比较低,而且器件寿命也不长,这很大地限制了它的发展和应用。聚合物给体材料的性能不理想是导致光伏器件效率较低的主要原因之一。一种理想的共轭聚合物光伏材料应该具有宽的光谱吸收、高的载流子迁移率和理想的HOMO、UJMO能级。为了得到高性能的给体材料,本文合成了两种新型的电子受体单元,并进一步合成了给体-受体结构的共轭聚合物。采用1H NMR、13C NMR、MALDI-TOF对单体和聚合物的结构进行表征,而且使用凝胶渗透色谱仪(GPC)、热重分析仪(TGA)、紫外可见光谱仪(UV-vis)、电化学工作站(CV)及器件测试仪器等对聚合物的分子量、热学、光学、电化学和光伏性能进行了测试。
通过噻吩二胺和二氧化硒的缩合反应首次成功合成了噻吩并硒二唑单元,并基于这个单元和苯并二噻吩(BDT)、二噻吩硅杂环戊二烯(DTS)共聚得到两种交替共聚物PBDTDTTSe和PDTSDTTSe,研究这种新受体单元对聚合物光谱吸收、能级以及光伏性能等的影响。结果显示,这两种聚合物都有较好的热性能,而且HOMO能级较低,分别为-5.51 eV和-5.50 eV。以PBDTDTTSe和PDTSDTTSe为给体材料,PC71BM为受体材料,制备聚合物太阳能电池器件。在AM1.5G,86 mW/cm2的模拟太阳光照射下,基于PBDTDTTSe和PDTSDTTSe的器件的开路电压都比较高,在0.76-0.83 V之间,并且它们的能量转换效率最高分别为0.22%、0.20%。
在噻吩的3,4-位上引入吸电子基团酯基,合成了一种新的电子受体单元,然后通过Stille偶联反应和BDT单元共聚,得到共轭聚合物PBDTDMCT。结果表明,这种聚合物在固态膜的光谱吸收较宽,由于噻吩单元上两个酯基作用,使得它的HOMO能级较低,为-5.65 eV。在AM1.5G,100 mW/cm2的光照条件下,基于PBDTDMCT/PC71BM的光伏器件的能量转换效率最高达到了0.4%,而且开路电压最高达到了0.98V。