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聚合物太阳能电池由于质轻、可采用溶液加工、制备成本低等优点而受到研究者的广泛关注,单个体异质结太阳能电池的能量转换效率已达到9%以上。但是离商业应用还有一定的差距。目前对聚合物太阳能电池的研究主要集中在设计合成新型的低带隙电子给体材料和对器件结构进一步优化两个方面。在聚合物主链中引入电子受体单元形成电子给体(D)-电子受体(A)结构,通过分子内D-A单元之间的电荷转移来调节聚合物的吸收光谱和能带隙是目前合成低带隙电子给体聚合物的主要方法之一;合成低带隙聚合物电子给体材料的另一个方法是在聚合物的侧链上引入电子受体单元,侧链电子受体单元主要影响聚合物的最低未占有轨道(LUMO)能级,聚合物的最高占有轨道(HOMO)能级主要由主链结构决定。
在众多的聚合物电子给体材料中,咔唑基聚合物由于有很好的化学稳定性和环境稳定性、易被化学修饰,可以通过调节不同的功能取代基团,来调节聚合物的性能等优点而受到广泛关注。文献已报道了许多主链D-A结构和侧链带有受体基团的咔唑基聚合物,但那些聚合物都是以烷基咔唑为主的,还没有文献报道咔唑N-带有受体基团的聚合物在太阳能电池中的应用。
因此,本文采用噻吩、苯并噻二唑、2,5-二溴硝基苯等物质,用钯催化的Suzuki、Stille偶合反应设计并合成了两个新型的侧链带有受体基团的共轭咔唑共聚物。所得共聚物能溶于常用的有机溶剂,如氯仿、四氢呋喃等。通过核磁氢谱(1H NMR)、碳谱(13C NMR)和元素分析表征了共聚物的结构。通过热失重分析(TGA)、差示扫描量热分析(DSC)、紫外吸收(UV-vis)光谱和荧光发射(PL)光谱研究了共聚物的热稳定性能、电化学性能和光物理性能。
聚咔唑及其衍生物由于含有一个刚性平面结构的内联苯单元,因此具有较好的热稳定性和化学稳定性,本文通过吸收边带计算出了两种聚合物的能量带隙分别为2.14eV和2.09eV,两种聚合物的最大荧光发射峰分别为605nm、615nm;结合C-V曲线和经验公式计算得出两种聚合物LUMO能级分别为-3.50eV和-3.53eV,都大于有机太阳能电池当中最常用的受体材料PCBM的LUMO能级值-4.2eV;通过凝胶渗透色谱(GPC)测试了聚合物的分子量,两种聚合物的分子量都较大;两种聚合物都表现出强烈的红色荧光发射并且具有较好的热稳定性能,可以作为太阳能电池中的给体材料。