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基于二噻并苯并二噻吩宽带隙聚合物的合成及光伏性能的研究

1.引言

1.1研究背景及意义

随着全球能源需求的不断增长和对可再生能源的关注，光伏发电作为一种清洁、可再生的能源形式受到了广泛关注。有机光伏材料因其重量轻、成本低、可溶液加工等优点成为了研究的热点。二噻并苯并二噻吩作为一种宽带隙的有机半导体材料，在光伏领域具有巨大的应用潜力。本研究旨在探索二噻并苯并二噻吩宽带隙聚合物的合成方法，并研究其光伏性能，为开发新型高效有机光伏材料提供理论和实验依据。

1.2国内外研究现状

近年来，国内外研究者对宽带隙聚合物光伏材料进行了广泛研究，已成功合成了多种宽带隙聚合物，如PBDT、PTB7等。然而，这些材料的光伏性能仍有待提高。在二噻并苯并二噻吩类宽带隙聚合物方面，国外研究较早，国内研究相对较少。国外研究者已成功合成了此类聚合物，并对其光伏性能进行了研究，取得了一定的成果。而国内研究者主要关注此类聚合物的合成方法改进和结构优化。

1.3研究目的与内容

本研究旨在通过优化二噻并苯并二噻吩宽带隙聚合物的合成方法，提高其光伏性能。研究内容包括：合成二噻并苯并二噻吩宽带隙聚合物；对合成产物进行结构表征和性能分析；制备光伏器件，研究其光伏性能；分析影响光伏性能的因素，为性能优化提供依据。通过本研究，旨在为我国宽带隙聚合物光伏材料的研发和应用提供理论支持和实践指导。

2.二噻并苯并二噻吩宽带隙聚合物的合成

2.1合成方法与过程

二噻并苯并二噻吩宽带隙聚合物（PBDTTh2）的合成主要包括以下几个步骤：首先是二噻并苯并二噻吩衍生物的合成，然后通过Yamamoto偶合反应将衍生物聚合形成聚合物。

在第一步中，以二噻吩、苯并噻吩为原料，经过硝化、还原、碘代等反应步骤，制备得到二噻并苯并二噻吩衍生物。硝化反应采用混酸作为硝化剂，反应温度控制在0-5℃，以减少副产物的生成。还原反应采用氢气在钯碳催化下进行。碘代反应则以碘化钠为碘化剂，在丙酮溶剂中进行。

在Yamamoto偶合反应中，将二噻并苯并二噻吩衍生物与1,8-二碘辛烷在钯催化下进行聚合。反应溶剂为甲苯，加入适量2,2-联吡啶作为配体，以提高聚合产率。反应温度控制在80℃，通过实时监测溶液紫外-可见吸收光谱的变化，确定聚合程度。

2.2结构表征与性能分析

采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（1HNMR）、紫外-可见吸收光谱（UV-vis）等手段对合成的PBDTTh2进行结构表征。FTIR结果显示，聚合物在指纹区出现了噻吩环的特征吸收峰。1HNMR谱图表明，聚合物中存在二噻并苯并二噻吩结构单元的特征峰。UV-vis光谱显示，聚合物具有较宽的吸收带，表明其具有宽带隙特性。

通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）对PBDTTh2的电化学性能进行分析。CV测试结果显示，聚合物具有良好的氧化还原性能，EIS谱图表明其电荷传输性能较好。

2.3合成条件优化

为提高PBDTTh2的产率和性能，对合成条件进行优化。考察了不同催化剂、配体、溶剂等对聚合反应的影响。实验结果表明，使用钯催化剂、2,2-联吡啶配体、甲苯溶剂时，聚合反应效果最佳。

此外，还对聚合时间、温度等参数进行优化。通过延长聚合时间和提高聚合温度，可以进一步提高聚合物的分子量，从而提高光伏性能。

综上所述，通过优化合成条件，成功制备出具有宽带隙特性的二噻并苯并二噻吩聚合物，为后续光伏性能研究奠定了基础。

3.光伏性能研究

3.1光伏器件的制备与结构

本研究中，采用所合成的二噻并苯并二噻吩宽带隙聚合物制备光伏器件。具体制备过程如下：首先，通过溶液法制备活性层，将聚合物与适当的溶剂混合，并通过旋涂技术涂布在ITO玻璃基板上。随后，采用热蒸发法在活性层上方沉积金属电极，形成完整的器件结构。

光伏器件的结构主要包括：透明电极（ITO）、活性层、空穴传输层、电子传输层及金属电极。其中，活性层为本研究所合成的二噻并苯并二噻吩宽带隙聚合物，空穴传输层选用PEDOT:PSS，电子传输层选用TiO2。通过优化各层之间的界面接触，提高载流子的传输效率。

3.2光伏性能测试与评价

光伏器件制备完成后，进行性能测试与评价。采用标准太阳光模拟器作为光源，在AM1.5G光谱条件下进行测试。主要测试参数包括：开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）。

通过对光伏器件的性能测试，得出以下结果：所制备的光伏器件具有较高的开路电压，表明活性层材料具有较好的能级匹配；短路电流较大，说明活性层对光的吸收较好；填充因子和光电转换效率均达到较高水平，表现出良好的光伏性能。

3.3影响光伏性能的因素分析

影响光伏性能的因素主要包括：活性层材料、器件结构、界面接触等。以下针对这些因素进行分析：

活性层材料：二噻并苯