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D-A型共轭齐聚物/聚合物中给体(D)和受体(A)间的电荷转移(ICT)能够调节齐聚物/聚合物本身的HOMO/LUMO能级,进而调节其光电性质。通过选择适当的给体和受体能够调节分子内电荷转移(ICT)的强度,使得D-A型共轭齐聚物/聚合物表现出诸如窄带隙、宽光谱吸收、高电子亲和势和低电离能、高迁移率和双极传输等性质。在齐聚物p型半导体材料的端基引入吸电子基团能够降低分子的LUMO能级,稳定带负电荷的分子,可以实现有效的电子传输,即p-n型材料的转化。特别是D-A型共轭聚合物易实现近红外和宽光谱吸收,在高性能聚合物太阳能电池的制备方面具有重要意义,因而,本论文以齐聚噻吩或二噻吩[3,2-b:2’,3’-d]吡咯为给体,吡啶,喹啉,苯并噻二唑或芴酮为受体,设计合成了三个系列D-A型共轭齐聚物和聚合物,研究了它们的基本物理化学性质,并考察了它们作为体相异质结太阳能电池给体材料和薄膜晶体管活性材料的器件性能,主要成果与创新点如下:
1、设计并合成了三个吡啶基封端和两个3-喹啉基封端的齐聚噻吩,即o-PyTh4,m-PyTh4,p-PyTh4,QuTh2和QuTh3。含N芳杂环的引入能够使晶体中分子间形成C-H...N弱氢键,从而对分子在结晶中的堆积方式产生较大的影响。单晶解析表明,m-PyTh4和p-PyTh4均采取典型的鱼骨架排列方式,p-PyTh4分子形成一维氢键网络,而m-PyTh4分子形成二维氢键网络。而由于三维氢键网络的存在,o-PyTh4分子的堆积结构非常复杂,完全不同于齐聚噻吩的鱼骨架排列方式。上述弱氢键的存在同样对QuTh2和QuTh3分子在晶体中的堆积方式有重要影响,QuTh3分子在晶体中采取夹心鱼骨架排列方式,而QuTh2分子则形成面对面的π-π滑移堆积。
2、通过Stille聚合方法合成了不同长度烷基链取代的二噻吩[3,2-b:2’,3’-d]吡咯和2,1,3-苯并噻二唑的交替共聚物。该系列聚合物在薄膜状态的吸收光谱主要位于500-900 nm的可见及近红外区,光谱能隙在1.4 eV左右,且吸收强度随着聚合物中取代烷基链长度的减小而增大。同时,随聚合物中取代烷基链长度的减小,聚合物与PCBM(1:3)共混薄膜的形态逐渐改善,太阳能电池器件的能量转化效率不断提高,其中PDTPBT-C5的能量转化效率最高可达2.80%。
3.通过Stille聚合方法合成了以含不同噻吩个数的齐聚噻吩为给体、苯并噻二唑或芴酮为受体的两类D-A型共轭聚合物。在齐聚噻吩—苯并噻二唑聚合物PTnBT中,PT3BT、PT5BT和PT6BT-la三个聚合物具有较小的光谱能隙(1.52-1.59 eV),吸收光谱几乎覆盖了从400 nm到800 nm的整个可见光区。以这两类聚合物为给体材料PCBM为受体材料制备了体相异质结太阳能电池,最高的能量转换效率可达1.76%。顶电极薄膜晶体管器件的测试结果表明,PT5BT和PT6BT-1a的器件有场效应,都属于p型器件,其空穴迁移率分别为9.9×10-3cm2V-1s-1和1.2×10-2 cm2V-1s-1。