高灵敏度、宽光谱响应光伏型光探测器窄带隙聚合物的合成与性能研究

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近年来,有机聚合物光探测器由于具有成本低、质量轻、柔性易加工、可制得高灵敏度、高响应速度、宽光谱响应的大面积多色器件等一系列优点,而受到工业领域和科学领域的广泛关注。经过近几年的研究和发展,聚合物光伏型光探测器的部分性能已经可以和无机探测器相比拟,其光谱响应范围覆盖到1000多纳米延伸到了近红外区。目前由于器件的性能和工作寿命等研究还不完善,还未真正应用到科技、工业等领域。但聚合物光伏型光探测器件的发展前景引人注目,研发新型的聚合物材料、提高器件性能及工作寿命以实现新兴光探测器件的应用成为了科研工作者不懈努力的目标。本论文设计并合成出了一种窄带隙共轭聚合物,基于该聚合物的光伏型光探测器的光谱响应延伸到了近红外光区1300nm。另外,合成了几种新的共轭聚合物,并对所得共聚物的结构进行了表征,同时也简单的研究了其光电化学性质等。在第三章中采用Pd催化下的Stille偶联反应合成了基于2,3-双(4-辛氧基苯基)-5,8-二溴噻二唑苯并吡嗪(BTQ)和2,6-二三甲基锡-4,8-二辛氧基苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩(BDT)的窄带隙交替共聚物PBDT-BTQ(Eg=0.98eV)。并利用BTQ单元、BDT单元及4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑(BT)共聚得到三元窄带隙聚合物PBDT-BTQ-BT(Eg=0.93eV)。这两种聚合物在固体薄膜中有着较宽的光谱吸收分别为380nm-1300nm和380nm-1320nm。共聚物PBDT-BTQ的氧化电位为0.62V,通过计算得出最高占有分子轨道(HOMO)和最低未占有分子轨道(LUMO)值分别为-5.05eV和-4.07eV。共聚物PBDT-BTQ-BT的氧化电位为0.52V,最高占有分子轨道(HOMO)和最低未占有分子轨道(LUMO)分别为-4.95eV和-4.03eV。对于聚合物PBDT-BTQ-BT制备了结构为ITO/PEDOT:PSS/PBDT-BTQ-BT:PC71BM/Ca/Al的器件,并对其作了简单的研究。器件的开路电压、短路电流密度、光电转换效率(0.1%)都较低,还需要进一步优化器件结构或者寻找更匹配的受体材料,以提高器件的性能,器件的光谱响应达到近红外区1300nm。在第四章中通过Pd催化下的Stille偶联反应合成了基于2,6-双三甲基锡-4,8-二辛氧基苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩(BDT)和2,7-二溴-11,12-双十六烷氧基二苯并[a,c]吡嗪(BIF)、5,8-二溴-2,3-双[4-(3,7-二甲基辛氧基)苯基]苯并吡嗪(BQ)的交替共轭聚合物,分别命名为PBDT-BIF(Eg=2.22eV)、PBDT-BQ(Eg=1.78eV)。共聚物有良好的溶解性,能溶于常用的有机溶剂中,如氯仿、甲苯等。共聚物PBDT-BIF的固体薄膜的吸收峰分别在413nm、455nm和498nm处。而共聚物PBDT-BQ的固体薄膜的吸收峰分别为386nm和620nm。由共聚物PBDT-BIF和PBDT-BQ在阳极扫描中的起始氧化电位分别为0.83V和0.79V,其EHOMO分别为-5.26eV和-5.22eV,ELUMO分别为-3.04eV和-3.44eV。在第五章章中采用Pd催化下的Suzuki偶合反应,成功的合成出了基于窄带隙单体2,5-双[7-(5-溴-4-辛基噻吩-2-基)苯并噻二唑-4-基]噻吩(DBrDOTBTT)与2,7-双(4′,4′,5′,5′-四甲基-1′,3′,2′-二氧杂戊硼烷-2′-基)-9,9-二辛基芴(FB)、2,8-双(4′,4′,5′,5′-四甲基-1′,3′,2′-二氧杂戊硼烷-2′-基)-6,6′,12,12′-四辛基茚芴(IFB)、2,7-双(4′,4′,5′,5′-四甲基-1′,3′,2′-二氧杂戊硼烷-2′-基)-N-9″-十七烷基咔唑(CZB)的交替共聚物,分别命名为PF-DOTBTT(Eg=1.77eV)、PIF-DOTBTT(Eg=1.83eV)、PCZ-DOTBTT(Eg=1.76eV),这几种聚合物在常用的有机溶剂如:THF、甲苯等有较好的溶解性。聚合物PF-DOTBTT在甲苯溶液中有两个吸收峰,分别在364nm和550nm处,固体薄膜的吸收发生了红移,分别在379nm和588nm处。聚合物PIF-DOTBTT在甲苯溶液中有两个吸收峰,分别在370nm和546nm处,固体薄膜的吸收发生了红移,分别在381nm和577nm处。聚合物PCZ-DOTBTT在甲苯溶液中有两个吸收峰,分别在365nm和561nm处,固体薄膜的吸收发生了红移,分别在382nm和595nm处。聚合物PF-DOTBTT、PIF-DOTBTT、PCZ-DOTBTT的最高占有轨道(HOMO)和最低控轨道(LUMO)值分别为-5.46eV和-3.69eV,-5.53eV和-3.70eV,-5.43eV和-3.67eV。
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