南京信息工程大学本科生毕业论文毕业论文(设计) 题 目 咔唑类聚合物太阳能电池材料的研究 毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它目 录0引言31聚合物太阳能电池的结构和基本原理41.1聚合物太阳能电池的结构41.2聚合物太阳能电池的基本工作原理52聚合物太阳能电子给体材料52.1聚对苯撑乙烯衍生物（PPV）52.2基于噻吩的共轭聚合物（PT）62.3聚芴类共轭聚合物62.4低能带聚合物72.5咔唑类共轭聚合物73聚合物太阳能电子受体材料84实验部分84.1主要仪器和试剂94.1.1实验主要仪器94.1.2实验试剂94.2实验步骤104.2.1 3,6-二溴-9-（2-乙基己基）咔唑的制备104.2.2 2,7-二溴-9-（2-乙基己基）咔唑的制备125产物表征及分析135.1红外光谱135.1.1 4,4-二溴联苯硝化产物的红外光谱分析145.1.2制备的2,7-二溴咔唑与标准2,7-二溴咔唑的红外光谱分析145.1.3 2,7-二溴-9-（2-乙基己基）咔唑的红外光谱分析155.2 1H-NMR核磁谱图155.2.1 3,6-二溴-9-（2-乙基己基）咔唑的1H-NMR核磁谱图155.2.2 2,7-二溴-9-（2-乙基己基）咔唑的1H-NMR核磁谱图166结论与展望17参考文献：18Abstract20致 谢21咔唑类聚合物太阳能电池材料的研究殷庆尧南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京，210044摘要：随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到许多国家的重视。太阳能电池作为太阳能利用方式中最有前途的一种备受关注。与无机太阳能电池相比，聚合物太阳能电池性能更加优异，而咔唑类聚合物材料具有刚性稠环结构、分子内电子转移强、空穴传输性良好及易于将多种多功能基引入咔唑环上的优点，在太阳能电池材料领域更显示出广泛的潜在应用价值。本文介绍了聚合物太阳能电池的原理和几种常见的给受体材料。设计并合成了咔唑类聚合物的前驱物，并对其结构进行了表征。关键词：聚合物太阳能电池；电子给体材料；咔唑类聚合物Research on polymer solar cell materials of carbazoleYin Qing-yaoCollege of Environmental Science an Engineering,NUIST, Nanjing 210044，ChinaAbstract:With the development of modern industry, the problems of energy shortage and environmental pollution have become increasingly serious. As the most promising way of using solar energy, great attention has been paid to solar cells by people all over the world. Compared with inorganic solar cells, polymer solar cells (PSCs) exhibit more excellent performance. Moreover, polymer materials based on carbazole have several advantages, such as rigid fused ring structure, strong intramolecular electron transfer, good hole-transport and easy to introduce a variety of multi-functional groups in carbazole ring. In this paper, the principle of PSCs was introduced as well as the donor materials and the acceptor materials of PSCs. Meanwhile, the predecessors of polymer materials based on carbazole have been synthesized. At last, the characteristics were discussed. Key word:Polymer solar cells; Electron donor materials; Polymer materials based on carbazole0引言自第二次工业革命以后，化石能源一直在世界能源中扮演着不可替代的角色，小到人们的出行大到一个国家的经济发展都与它息息相关。然而，由于化石能源是远古时期遗留下来的动植物的遗骸在地层下经过上万年演变形成的，一旦使用就无法再生，所以极其珍贵。在人类数世纪无节制的开采下，接近枯竭，能源危机随即而来。不仅仅是能源危机，化石能源的使用也带来了严峻的环境问题，大量的化石能源消费，引起温室气体排放，使大气中温室气体浓度增加、温室效应增强，导致全球气候变暖。不仅如此，它也是造成酸雨和雾霾的罪魁祸首1。所以，人类急需一种洁净的新能源来解决现在的困境。太阳能作为一种能源，不仅取之不尽，用之不竭，还具有无污染，使用方便，不影响地球的生态平衡等优点，而这些是常规能源无法比拟的。如何充分地开发和利用太阳能就成了人们努力的重点。太阳能电池作为太阳能的开发利用方式中最为有效的，是利用光生伏打效应将其转变成电能的装置2。正因为如此，太阳能电池的研究受到许多国家的重视，单晶硅材料太阳能电池也凭借极高的光电转换效率占据了绝大多数的太阳能电池市场。然而，由于成本高，大幅降低其成本很困难3，限制了其更好的发展，所以，人们开始在新型材料中寻找突破。与无机太阳能电池相比，聚合物太阳能电池在成本、重量、生产工艺和制备柔性器件方面具有突出的优势4，除此之外，共轭聚合物材料种类多样齐全，可设计性强，可以通过改变材料的性质有效的提高太阳能电池的性能。性能优秀的PCBM类电子受体材料自从1995年被Wudl5发明之后，电子给体材料在新材料的开发领域开始变得活跃起来。与小分子化合物相比，共轭聚合物优势很多：（1）拥有利于激子和电荷载流子传递的维延伸的共轭体系；（2）易通过聚合物的结构设计来调控其光吸收能力等物性：溶液成膜性较好。所以，广大科研工作者开始对聚合物型电子给体材料产生极大兴趣，新的结构和合成方法层出不穷，性能优秀的材料不断涌现，确实提高了光电转化效率。在聚合物太阳能电池给体材料中，咔唑类化合物由于拥有大共轭体系、含有刚性稠环结构、分子内电子转移强、空穴传输性良好以及易于把多种功能基引入到其刚性的咔唑环上等优点，使得咔唑类杂环化合物在太阳能电池材料的领域已显示出广泛的潜在应用。相关领域的研究十分活跃并取得了许多重要的研究结果。尽管如此，在许多领域还需进一步深入。1聚合物太阳能电池的结构和基本原理1.1聚合物太阳能电池的结构一般，正负电极和有机聚合物光敏活性层构成了聚合物太阳能电池的主要部分。光敏活性层可分为单层结构、双层异质结结构和体异质结结构。以下五个步骤简要概括了太阳能电池光电转换的过程：吸收入射光产生激子-激子扩散-电荷分离-电荷传输-电荷收集。激子在单层结构器件中多数都因为复合而淬灭而导致效率都比较低（小于0.1 %）。相比于单层结构器件，给体材料在吸收太阳光产生激子后，在由给体和受体两种材料构成的双层活性层结构中，激子进入到扩散范围内，但却遭遇到受体材料，导致激子因为两种材料的前线分子轨道能极差而发生分离，使得器件的性能提升很大。激子的扩散长度为几纳米到几十纳米，而激子只有在给体和受体相距几纳米到几十纳米之间产生才能够被有效分离，所以，在双层异质结结构的光敏层过厚的情况下，器件的性能将会降低。但是，活性层仅仅具有与激子扩散长度相近的厚度也是不能够有效吸收太阳光的，这使得器件性能的提高被大大限制住了。给体和受体共混组成了体异质结太阳能电池活性层，可以很好的互相分散此类器件的给体受体，所以聚合物材料中激子扩散长度短的难题能有效得被解决，从而使得激子分离的效率也大大提高。图1 聚合物太阳能电池结构1.2聚合物太阳能电池的基本工作原理有机光伏器件作为聚合物太阳能电池的最重要的做成部分，电池性能的好坏是由其能量的转换效率直接决定的。有机光伏器件是由光敏活性层夹在ITO透明阳极和阴极之间所组成的一类给体/受体异质结型器件，给体/受体双层器件和给体/受体共混的本体异质结型器件是最具有代表性的。当敏活性层被透过ITO的电极照射到，使光上的光子具有