Синтез новых сопряженных полимеров на основе тиофена и бензотиадиазола - перспективных фотоактивных материалов для органических солнечных батарей

• Автор: Аккуратов, Александр Витальевич
• Шифр специальности: 02.00.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 171 с. : ил.

Оглавление

Список использованных сокращений

Благодарности

1. Введение

1.1. Актуальность темы исследования

1.2. Степень разработанности темы исследования

1.3. Цели и задачи

1.4. Научная новизна

1.5. Теоретическая и практическая значимость

1.6. Методология и методы исследования

1.7. Положения, выносимые на защиту

1.8. Степень достоверности и апробация результатов
1.9. Публикации
1.10. Объем и структура диссертации
2. Обзор литературы
2.1. Структура солнечных батарей с объемным гетеропереходом
2.2. Принципы работы органических солнечных батарей с объемным гетеропереходом
2.3. Характеристики органических солнечных батарей
2.4. Оптимизация основных параметров органических солнечных батарей с помощью
молекулярного дизайна сопряженных полимеров
2.4.1. Ток короткого замыкания
2.4.2. Напряжение холостого хода
2.4.3. Фактор заполнения
2.4.4. Эффективность органических солнечных батарей
2.5. Факторы, ограничивающие эффективность фотоволыпаических устройств на основе
сопряженных полимеров
2.6. Синтетические методы, используемые в разработке сопряженных полимеров
2.6.1. Реакция поликонденсации Стилле
2.6.2. Реакция поликонденсации Сузуки
2.6.3. Реакция прямого гетероарилирования
2.7. Отдельные группы сопряженных полимеров
2.7.1. Сополимеры, содержащие 2,1,3-бензотиадиазол, как акцепторный фрагмент
2.7.2. Сополимеры, содержащие фрагмент ТВТв своей структуре
2.7.3. Сополимеры, содержащие бисбензотиадиазол, бензобистиадиазол и
нафтобистиадиазол

2.7.4. Сополимеры, содержащие 2,1,3-бензоксадиазол и 2-алкил-2Н-2,1,3-бепзотриазол в
качестве олектропоакцепторпого блока
2.8. Заключение. Обоснование цели и задач данной работы
3. Экспериментальная часть
3.1. Инструментальные методы исследования
3.2. Реагенты, растворители и материалы
3.3. Изготовление солнечных батарей и исследование их характеристик
3.4. Методика исследования эксплуатационных характеристик фотовольтаических
устройств
3.5. Методики очистки полимеров
3.6. Исследование подвижностей носителей зарядов в пленках полимеров
3.7. Методики получения соединений
4. Результаты и обсуждения
4.1. Синтез модельного сопряженного полимера РСОТВТ. Исследование его оптических и
фотовольтаических свойств
4.2. Разработка сопряженных полимеров с малой шириной запрещенной зоны. Синтез и исследование полимера Р
4.2.1. Синтез и исследование сопряженного полимера Р
4.2.2. Синтез и исследование сопряженного полимера РЗ
4.2.3. Синтез и исследование сопряженного полимера Р
4.3. Синтез сопряженных полимеров, с улучшенными оптическими свойствами,
содержащих фрагменты циклопентадитиофена
4.4. Синтез и исследование сопряженного полимера Рб
4.5. Синтез и исследование сопряженного полимера Р
4.6. Синтез сопряженных полимеров, содеро/саїцих звенья ТТВТВТТ
4.6.1. Оптимизация методов синтеза структурного блока ТТВТВТТ
4.6.2. Синтез и исследование сопряженного полимера Р
4.7. Получение аналогов полимера Р8 с различным расположением алкильных цепей и исследование га свойств
4.8. Синтез сопряженных полимеров Р13 и Р14, содержащих флуореновые и
сичафлуореновые фрагменты
4.9. Синтез сопряженного полимера Р15, содерлсащего бензоксадиазол в качестве
электроноакцепторного блока
4.10. Статистические сополимеры па основе ТТВТВТТ, флуорена и карбазола как
перспективные материалы для органических солнечных батарей
5. Выводы
6. Список литературы

Список использованных сокращений
НСМО (LUMO) - низшая свободная молекулярная орбиталь
ВЗМО (HOMO) - высшая занятая молекулярная орбиталь
Eg-ширина запрещенной зоны
Е т onset - потенциал окисления
Jsс — плотность тока короткого замыкания
Voc — напряжение холостого хода
FF — фактор заполнения
г| (к.п.д.) - эффективность преобразования света IPCE (EQE) - внешняя квантовая эффективность [60JPCBM - метиловый эфир фенил-Сбі-бутановой кислоты [70JPCBM - метиловый эфир фенил-С7і-бутановой кислоты
PEDOT:PSS - комплекс поли(этилендиокситиофена) с полистиролсульфокислотой
ITO - смешанный оксид индия-олова
ЯМР - ядерный магнитный резонанс
ЦВА - циклическая вольтамперометрия
ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография
THF - тетрагидрофуран
DMSO - диметилсульфоксид
ЭМР-ДА-диметилформамид
NBS-iV-бромсукцинимид
DCB-1,2-дихлорбензол
MW - микроволновое излучение

2.4.4. Эффективность органических солнечных батарей
Эффективность преобразования энергии в органических солнечных батареях определяется произведением тока короткого замыкания, напряжения холостого хода и фактора заполнения (рисунок бв). Максимальный ток короткого замыкания фотовольтаических устройств может быть оценен численно, анализируя спектр поглощения активного слоя устройства и спектр солнечного излучения АМ 1.5 [65-67]. Учитывая, что вклад фуллеренового компонента в поглощение активного слоя невелик (особенно если используются производные фуллерена Сбо), то для грубой оценки можно использовать лишь спектр поглощения полимера. Напряжение холостого хода для определенной пары донорного и акцепторного материалов может оценить, используя уравнения (1) и (3), если известны точные значения энергий ВЗМО и НСМО для обоих компонентов. Используя предполагаемые значения Jsc(max) и Voc вместе со значением фактора заполнения FF=65% (вполне достижимая величина) и внешней квантовой эффективностью EQE=65%, возможно рассчитать теоретически достижимую эффективность солнечных батарей на основе любой комбинации фотоактивных материалов. Такое моделирование широко использовалось во многих работах, что позволяло оценить максимально достижимую эффективность однопереходных и двухпереходных органических солнечных батарей [17, 68].
Для однопереходных батарей иллюстративной является диаграмма,'на которой показана зависимость максимальной эффективности устройства от ширины запрещенной зоны донорного компонента и разницы энергий между НСМО донорного и акцепторного материалов (рисунок 20).