S,S-二氧—二苯并噻吩基共轭聚合物的合成及光电性能

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共轭聚合物光电功能材料具有轻质、结构多样化、光电效应性能高、可溶液加工和可制备成柔性器件等特点,在有机发光二极管、有机太阳电池和有机场效应晶体管中具有广阔的应用前景,并成为目前新材料研发的热点。S,S-二氧-二苯并噻吩(SO)是一个具有刚性平面结构的缺电子单元,结构内所有原子均处于最高的化合价状态,具有很高抗氧化能力和化学/环境稳定性,且SO基团具有较低的LUMO能级、较高的荧光量子效率和电子传输能力。本论文的主要研究内容是结合SO单元结构特点和目前聚合物光电材料性能的不足,针对性地将SO单元适当引入到光电性能聚合物中,进一步扩展SO单元的新应用,同时提高聚合物的光电性能,对高性能的聚合物光电材料的结构设计和合成有一定的指导意义。1)在聚(2,7-咔唑)为主链、苯并噻二唑为黄光发光中心的白光聚合物中引入一定比例的SO单元,有效地提高了聚合物的荧光量子效率和平衡因子,同时降低了蓝/黄光发光中心间的LUMO能级差,从而获得了高效且光谱稳定的白光发射。聚合物的电致发光光谱在电流密度12-300mA/cm2范围内,表现了优越的稳定性。基于含SO单元的白光聚合物的单层器件(ITO/PEDOT:PSS/polymer/CsF/Al),获得的最大流明效率和外量子效率分别为8.0lm/W和3.9%,发光效率比不含SO单元的聚合物的同类型器件高4倍左右。2)设计和合成了2,8-二辛基-S,S-二氧-二苯并噻吩-噻吩新型的D-A结构单元(DTSO),将其引入到聚芴主链中,通过调节DTSO的含量,分别获得高效的蓝光、绿光和白光聚合物,以其作为发光层,相关发光器件获得的激子利用率分别为34%、51%和56%,最大发光效率分别为3.4、8.8和7.5cd/A,其中基于白光聚合物的器件获得外量子效率达5.3%。3)在聚芴侧链中引入缺电子SO单元,有利于诱导了更多含量的聚芴β相,提高了聚合物排列的规整性和荧光量子效率。基于聚合物PFO-FSO1的单层器件获得的最大外量子效率达2.1%,是没有侧链SO单元的均聚芴发光效率的3倍以上;色坐标为(0.16,0.08),是标准的蓝光色坐标。相关器件的发光光谱在6-240mA/cm2电流密度范围显示出优越的稳定性。在含氨基的水/醇溶性聚芴侧链中引入SO单元,显示出优越的阴极界面修饰性能,该聚合物应用在以PCDTBT:PC71BM (1:4, w/w)为活性层的太阳电池正装器件中,获得光电转换效率可达6.46%,比无界面修饰状态下同类型器件提高约35%。4)将SO衍生物单元与强给电子单元苯并二茚并[1,2-b:5,6-b’]-二噻吩(IDT)进行交替共聚,合成了中等带隙(~2.2eV)的D-A共聚物,并用作聚合物太阳电池给体材料,经过器件优化后获得最高的光电转化效率达3.81%,是目前报道的带隙超过2.2eV的给体聚合物中最高的效率之一。此外,将SO单元共聚入窄带隙聚合物中,相关的太阳电池器件的效率达4.93%,比不含SO单元的聚合物相同结构器件的效率提高了接近1%。
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