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共轭高分子被广泛应用于有机发光二极管(OLEDs)、有机场效应晶体管(OFETs)和有机太阳能电池(OSCs)等领域。通常,它由刚性的共轭主链和柔性的侧链组成;主链决定共轭高分子的光电性质,如吸收光谱、能级和载流子迁移率等;侧链保证高分子的溶解性以实现溶液加工;此外,侧链还影响共轭主链的固态堆积行为和共混相分离形貌等。目前对共轭高分子的研究主要集中在主链的结构调节上,而对于侧链的研究较少且主要为烷基链;虽然侧链是光电惰性的,但其对共轭高分子光电性质的影响不可忽略。醚链(oligo(ethylene glycol) chain,简称“OEG”链)是亲水性的,被广泛应用于两亲性超分子自组装和生物医用材料领域,很少被应用于光电高分子领域。与烷基链相比,醚链除了亲水性特征外,它还具有更高的柔性,能促进共轭高分子主链的固态π堆积,从而改善载流子传输。鉴于含支化侧链的共轭高分子比含直链的通常表现出更优异的光伏器件性能,本论文设计了新型的支化醚链,用于开发新型高分子给体材料;我们系统研究了支化醚侧链对高分子给体材料光电性质和光伏器件性能的影响。具体内容如下: 1、开发了一类新型的支化醚侧链,以聚(吡咯并吡咯二酮-co-三联噻吩)作为主链,合成了一系列含支化醚侧链的共轭高分子。与支化烷基侧链相比,支化醚侧链的柔性,促进了共轭高分子主链之间的紧密π堆积,使吸收光谱红移,同时提高了高分子的空穴迁移率。另外,支化醚侧链大的极性显著提高了共轭高分子的介电常数和表面能,表面能的增加改善了共轭高分子与富勒烯受体材料PC71BM的相容性。将这些高分子作为光伏给体材料,与受体材料PC71BM共混制备高分子太阳能电池器件,含支化醚侧链的高分子给体材料,光电转换效率PCE=5.37%,高于相应的含支化烷基侧链的高分子给体材料(PCE=3.00%)。而且,含支化醚侧链的高分子给体材料,器件效率对于活性层厚度不敏感。 2、我们以聚(异靛蓝-co-噻吩)或聚(异靛蓝-co-硒吩)作为主链,支化醚链或支化烷基链作为侧链,合成了四个共轭高分子,系统研究了侧链对共轭高分子的LUMO/HOMO能级的影响。紫外光电子能谱测试结果表明,含支化醚侧链的高分子比含支化烷基侧链的高分子LUMO/HOMO能级提高了0.3-0.4 eV。其原因可能在于,支化醚侧链中含有大量富电子的氧原子,这些氧原子通过静电作用(空间场效应)改变了主链的电子结构,提升了LUMO/HOMO能级。在OSC器件中,支化醚侧链带来的LUMO/HOMO能级的提升,导致器件开路电压降低,短路电流大幅提高,最终使器件性能提高。在OFET器件中,含支化烷基侧链的高分子既可传输电子,又可传输空穴;而含支化醚侧链的高分子只传输空穴,没有电子传输能力。共轭高分子LUMO/HOMO能级的调节大都是通过改变主链结构进行的,本工作表明,不同类型的侧链也可以用于调控共轭高分子的LUMO/HOMO能级,从而影响其器件性能。 3、我们将含支化醚链的异靛蓝单元两边接上噻吩单元,与含烷基侧链或烷基噻吩基侧链的苯并[1,2-b:4,5-b]二噻吩单元交替共聚,合成了两个高分子给体材料P1和P2。P1和P2均具有宽的吸收光谱,最大吸收波长在680 nm或690 nm,合适的LUMO/HOMO能级,空穴迁移率分别为3.3×10-4 cm2V-1 s-1和6.3×10-4 cm2V-1 s-1;将他们分别与PC71BM共混,制备的高分子太阳能电池器件均表现出较好的性能。其中以P2为给体的光伏器件开路电压为0.76 V,短路电流为13.89 mAcm-2,填充因子为0.68,对应的能量转换效率为7.21%。这是目前报道的基于异靛蓝单元的高效给体高分子材料之一。研究发现,器件活性层在成膜过程中,少量添加剂(2.5 vol%)1,8-二碘辛烷的加入,可以大幅度减小活性层薄膜相分离尺寸,从而显著提高器件性能。