窄带隙聚合物太阳能电池用苯并二噻吩单元的设计制备(4)
影响电荷收集效率的主要因素是电极处的势垒，可以通过调节电极材料、改善器件的制备工艺来实现。
1.4 窄带隙聚合物的发展方向及本课题研究目的
吸收光谱与载流子迁移率是影响聚合物太阳能电池光电转换效率的主要因素。在设计新的聚合物结构时，必须考虑这两个因素。要进一步提高聚合物的光电转换效率，新的窄带隙聚合物应具备以下几个条件:(1)具有较窄的光学带隙，共轭聚合物光伏材料的吸收光谱应尽量与太阳能光谱相匹配，以确保在可见光区具有宽光谱和强吸收；（2）相对低的HOMO能级实现高的开路电压；（3）平衡的电子与空穴传输，以保证高的载流子迁移率。除此之外，聚合物的高纯度，良好的溶解性，热稳定性，易成膜加工也同样重要。
苯并二噻吩（BDT）单元具有良好的平面性，良好的热稳定性和富电子效应，本课题试图设计合成二文的苯并二噻吩结构，作为給体单元，以期望和其它受体单元交替共聚，能得到窄的光学能带隙、匹配的电子能级、较高开路电压和平衡空穴-电子传输的窄带隙共轭聚合物。
2 苯并二噻吩的结构设计与合成
2.1 前言
低能隙的聚合物材料能够拓宽吸收光谱带，以提高光电流，这类聚合物是一种很有前景的有机太阳能光伏材料。在本体异质结太阳能电池中，理想的聚合物給体材料应有足够大的HOMO能级与LOMO能级差，这样才能促使电荷的有效分离，以得到更高的开路电压。在设计窄带隙聚合物光伏材料时，需考虑宽的吸收带，平衡的电子与空穴传输[31,32]。目前最典型的窄带隙聚合物光伏材料就是給体-受体型（D-A）聚合物材料。
苯并二噻吩（BDT）单元具有良好的平面性，良好的热稳定性和富电子效应，在有机半导体材料中得到广泛关注和研究。噻吩类聚合物具有相对大的平面分子结构，有利于减小链间π-π堆积的距离，提高载流子的迁移率，使其具有较大的流动性。因此，苯并二噻吩是一个很好的给体单元[18]。
基于苯并二噻吩給体单元的聚合物，已成功在支链上嫁接烷基链和烷氧基链等，与吡咯，噻唑等交替共聚，效率达到4-7%。Yu等[22]报道了这类基于苯并二噻吩为給体单元的聚合物，第一次实现最高光电转换效率超过7%，达到7.4%。苯并二噻吩作为一种很有前景的聚合物給体单元，本文在苯并二噻吩的结构设计以及合成方面进行了研究。设计的苯并二噻吩结构式如图2.1所示。
图2.1 苯并二噻吩的结构示意图
在噻吩α位连接烷基链，再嫁接苯并二噻吩上的苯环上，整个结构共轭对称，噻吩上嫁接烷基链以期望基于此给体单元的聚合物具有较好的溶解性，较好的空气稳定性。聚合物具有相对大的平面分子结构，以期望提高载流子的迁移率，使其具有较大的流动性，得到较高的光电转换效率。
2.2 苯并二噻吩的合成设计路线
图2.1所示的苯并二噻吩给体单元可经过α位烷基取代的噻吩单元与二酮合成得到。通过3-噻吩酰胺经n-BuLi催化反应得到二酮。整个流程的反应如图2.2所示。
图2.2 苯并二噻吩的合成路线示意图
目标聚合物由修饰的噻吩单元与二酮，在正丁基锂的作用下，低温反应合成得到。此反应中二酮的合成与合成出二酮的纯度直接影响目标产物的合成、纯度、产率。二酮的合成是基于噻吩酰胺在正丁基锂的作用下相互成环而得。噻吩酰胺可以通过噻吩酰氯与胺合成而得。以3-羧酸噻吩为原料酰氯化可以合成噻吩酰氯。每步合成的产物均作为下一步的反应物，故反应后的提纯以及结构的确定都影响后一步的反应。反应中多次用到活性极强的正丁基锂，正丁基锂的使用需在无水无氧中平缓进行，故对溶剂的纯度，反应的氛围，温度要求均高。反应最终得到的产物作为给体单元，与噻唑，吡唑等交替共聚，通过Stille聚合得到窄带隙聚合物，制成ITO/PEDOT:PSS/聚合物:PCBM(1:1 w/w)/Ca/Al的器件，通过测试聚合物的聚合度，光学能带隙，开路电压，短路电流，填充因子，光电转换效率等可推测聚合物的应用前景。
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