新型聚苯撐乙烯的設(shè)計、合成與光電性能.pdf

1、聚苯撐乙烯衍生物(PPVs)材料是世界各國學(xué)者開始研究最早、投入資源最多、最有商業(yè)化前景的一類聚合物電致發(fā)光材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有機電致發(fā)光器件、有機太陽能電池、有機場效應(yīng)晶體管、有機激光和化學(xué)與生物傳感等先進材料科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化中。但由于其空穴傳輸能力遠遠大于其電子傳輸能力，使其應(yīng)用在一定程度上受到影響和限制。人們從不同角度，如通過引入吸電子基團(如氟原子、氰基、含氮雜環(huán)等)等，對其結(jié)構(gòu)進行修飾，試圖改善其平衡電

2、荷傳輸?shù)哪芰?，取得了一定進展。此外，熱穩(wěn)定性和溶解性同樣需要重點考慮以提高器件的穩(wěn)定性并改善材料的可加工性。 本論文的總體目標(biāo)為高效、可溶、穩(wěn)定的新型PPV型聚合物有機光電材料的設(shè)計、合成與光電性能探討。一、設(shè)計了三個系列新型PPV型聚合物，在側(cè)鏈引入被證明行之有效的p-n結(jié)構(gòu)。通過引入氟原子、氰基等，改善電化學(xué)環(huán)境，以提高量子效率；引入烷基以提高溶解性；引入大體積剛性芳環(huán)(二聯(lián)苯、三聯(lián)苯、芴等)以提高熱穩(wěn)定性。另一方面，通過合

3、成條件的控制，合成了分子量適中、溶解性良好、高效、穩(wěn)定的PPV型有機光電材料。通過制作電致發(fā)光器件，考察了器件啟動電壓、亮度、發(fā)光效率等性能。二、設(shè)計了兩個寬吸收的空穴傳輸材料，其末端含有醛基，分子聚集程度較高，通過制作太陽能電池器件，考察了其開路光電壓、短路光電流、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率等性能。具體研究內(nèi)容如下： 1．通過Gilch反應(yīng)合成了四個含氟三聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的聚合物，其較低的分子量分布指數(shù)與陰離子聚合的特征相吻合。四個含氟聚

4、合物均具有較高的熱穩(wěn)定性，起始熱分解溫度接近400。C。Pl，P2和P3的氯仿溶液最大熒光發(fā)射波長分別為473、492和485nm。由于三聯(lián)苯的扭曲，有效共軛長度下降，其發(fā)射波長相對于PPV均有一定程度的藍移；同樣，P4的熒光發(fā)射與MEHPPV相比相對藍移。其中由2．乙基己氧基增溶的P2和P4在氯仿等普通溶劑中具有很好的溶解度，絕對熒光量子效率分別為33．2和18．1％，瞬態(tài)熒光壽命分別為3．1和2．9ns。應(yīng)用P2和P4制作雙層器件的

5、初步結(jié)果表明，其最大亮度分別達到598和200cd／m2以上，而此時電流密度分別為100，80mA／cm2。各含氟三聯(lián)苯結(jié)構(gòu)聚合物的結(jié)構(gòu)式如圖1所示。 2．設(shè)計并合成了四個含有二氟苯基或芴基的新穎聚苯撐乙烯衍生物(PS．P6．P7，P8)，對其聚合反應(yīng)方法進行了改進，所獲得的聚合物分子量比較適中、溶解性能良好。由于多芳環(huán)結(jié)構(gòu)的存在，分子鏈高度扭曲，減少了分子間的聚集，．熒光猝滅得以緩減；而且，由于二氟苯基和氰基的引入，使其電子傳

6、輸能力增強，從而使目標(biāo)聚合物的量子效率提高，綠光材料量子效率超過30％，橙紅光材料量子效率接近20％。由于多芳環(huán)結(jié)構(gòu)和氟原子、氰基等的存在，這類聚合物的熱分解溫度接近400。C，能夠滿足有機光電材料對熱穩(wěn)定性的要求。應(yīng)用所合成的聚合物制作雙層電致發(fā)光器件，初步結(jié)果證明其具有較好的電致發(fā)光性能，如較低的啟動電壓和較高的亮度。其中PFDFP-co-MEH-PV(PT)為比MEH-PPV稍有藍移的橙紅光發(fā)射，啟動電壓為4．0V，在電壓為7．0

7、v時達到最大亮度4700cd／m2，而電流密度為15mA／cm2，最大外量子效率為1．16％，具有潛在的應(yīng)用前景。 3．設(shè)計合成了由不同烷氧基增溶的含有氰基二聯(lián)苯結(jié)構(gòu)聚苯撐乙烯(CN-PPVs，P9，P10)，著重研究通過Gilch反應(yīng)路線以對甲氧基苯酚為分子量調(diào)節(jié)劑來控制聚合物的分子量的條件，獲得了控制聚合物分子量的條件，得到了分子量適中、可溶、效率較高的CN-PPVs。研究發(fā)現(xiàn)，聚合物的熒光性質(zhì)與其分子量密切相關(guān)，隨著分子量

8、增大，熒光發(fā)射紅移；這類聚合物具有較高的熒光效率和熱分解溫度，與其分子結(jié)構(gòu)中的二聯(lián)苯和氰基密切相關(guān)。 4．設(shè)計并合成了兩個主鏈含苯環(huán)和噻吩的寬吸收聚合物(P11，P12)。聚合以Wittig反應(yīng)進行，考慮到碳負離子的活潑性，采用室溫生成碳負離子，低溫滴加二醛的方法，獲得分子量較高的聚合物。結(jié)構(gòu)上引入氰基，使其能隙降低，吸收更加紅移。由于分子的平面化程度較高，且末端含有醛基，分子間聚集程度較高，其熒光猝滅嚴(yán)重，發(fā)射很弱。寬吸收、聚

9、集程度高等特點是太陽能電池所需要的，應(yīng)用合成的聚合物制作了太陽能電池，電池結(jié)構(gòu)為ITO／PEDOT：PSS／Polymer／Al和ITO／TiO2／Dye／Polymer／Pt．。對于第一種結(jié)構(gòu)的兩個聚合物的性能結(jié)果分別為：A)，Voc：333mV,Isc。：3．86mA／em2，F(xiàn)F：29．0，η：0．47％；B)，Voc：316mV,Isc。：2．85mA／em2，F(xiàn)F：34．3，η：0．43％；對于第二種結(jié)構(gòu)的兩個聚合物的性能結(jié)果