基于六苯并暈苯的共軛聚合物的分子設計、合成及其光優(yōu)性能表征.pdf

1、六苯并暈苯（Hexa-peri-hexabenzocoronene，HBC）是一種由42個碳原子、13個六元環(huán)構成的盤狀液晶材料，可以看作為石墨烯的最小構筑單元。其分子之間具有很強的π-π堆疊的共軛作用。在進行一定的修飾后，HBC能夠形成一維納米線、碳納米管等穩(wěn)定的自組裝結構，在軸向方向具有極高的載流子遷移率。這些性能使得HBC在有機光電子材料領域具有很大的應用潛力。然而，目前的研究中，基于六苯并暈苯材料的有機太陽能電池效率并不理想，最

2、高效率僅為2.6％左右。這個現(xiàn)狀與與其優(yōu)良的光電性能極是不相稱的。
　　我們認為HBC兩方面的不足導致了上述的結果。第一，HBC分子的吸收光譜范圍較窄，禁帶寬度過大，導致其難以充分吸收和利用太陽光。第二，由于HBC分子自組裝能力過強，導致其在太陽能電池器件的活性層中，形成了相疇較大的自聚集，與PCBM等受體材料相容性較差。這使得激子很難傳輸?shù)讲牧辖o受體界面進行分離。針對上述的問題，本論文開創(chuàng)性的將HBC引入到共軛聚合物中，希望通過

3、合理的分子設計，發(fā)揮HBC的自組裝、載流子傳輸?shù)确矫娴拈L處，克服其在吸收光譜和活性層形貌上的不足，提高基于HBC的聚合物太陽能電池的效率。
　　(1)設計合成了基于HBC和PCDTBT的三組分共聚物，PCDTBT-5HBC和PCDTBT-10HBC，以PCDTBT二元共聚物作為對比，研究HBC的引入對于該聚合物的影響。研究發(fā)現(xiàn)，含有HBC的聚合物表現(xiàn)出了更好的熱穩(wěn)定性、更寬的吸收光譜和更低的HOMO能級。更重要的是，HBC使聚合物

4、分子間π-π共軛作用顯著增強，其結果是場效應遷移率提高了一個數(shù)量級以上。隨著HBC含量的增加，光伏器件的開路電壓和短路電流同步增加，光電轉化效率從3.21％提高到4.20％。
　　(2)以高效率的PTh4FBT二元D-A光伏共聚物為研究對象，在其中分別引入0、2.5、5和10％的HBC，設計合成了四種新的聚合物，以研究HBC作為第三組分對于高性能聚合物光伏材料的影響。研究發(fā)現(xiàn)，HBC含量變化，對于材料的熱力學、光學以及電化學性能影

5、響較小。然而，材料的光伏性能卻隨著HBC含量的增多，呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律。特別是從0％到2.5％再到5％，器件的短路電流、填充因子和光電轉化效率呈現(xiàn)同時遞增的趨勢。PTh4FBT、PTh4FBT-2.5HBC、PTh4FBT-5HBC和PTh4FBT-10HBC的效率分別為6.07、6.81、7.56和7.20％，引入5％HBC后，材料的效率提高了24.5％。
　　(3)使用Suzuki偶聯(lián)反應，選用不同的烷基鏈和π橋單元，設計合

6、成了基于HBC和強吸電子單元吡咯并吡咯二酮(DPP)的系列D-A型共聚物PHBCDPP。結果發(fā)現(xiàn)，DPP單元的引入有效拓寬了基于HBC材料吸收光譜，降低了材料的禁帶寬度。其中以聯(lián)噻吩為π橋的聚合物PHBCDPPDT的吸收光譜范圍最寬，主要源于其構筑的聚合物分子具有更長的共軛長度和以及更好的平面空間構型。四種聚合物PHBCDPPC20、PHBCDPPC8、PHBCDPPF和PHBCDPPDT的場效應遷移率分別為1.35×10-3、2.31

7、×10-4、2.79×10-4和8.60×10-3cm2V-1 s-1，四種聚合物制備的光伏器件的轉化效率分別為2.12、2.85、1.89和2.74％。2.85％是目前基于HBC有機光伏材料的最高效率值。
　　(4)為了解決HBC材料相分離尺寸過大的問題，我們設計合成了兩種基于HBC的聚合物PHBC-T4和PHBC-T4-DPP。引入DPP到體系后，材料的吸收光譜明顯拓寬(600到750nm)，禁帶寬度變窄（2.04到1.64e

8、V），但材料的HOMO能級有所提高。兩種聚合物都表現(xiàn)出良好的P型場效應晶體管性能，其空穴遷移率分別達到8.8×10-3和8.6×10-3cm2V-1 s-1，性能已經(jīng)非常接近目前基于HBC的場效應遷移率最大值。GIXRD的測試結果表明，PHBC-T4薄膜以edge-on方式擇優(yōu)排列，結晶性能優(yōu)于PHBC-T4-DPP。PHBC-T4和PHBC-T4-DPP的光電轉化效率分別為1.24％和2.74％，PHBC-T4-DPP效率更高的主要原