基于C60衍生物有机光伏材料的合成及性能研究

摘要

近年来，随着经济和科技的迅速发展，人们的活动范围越来越广、活动形式越来越丰富多样，所需能耗也越来越多，随之产生的各类环境、能源问题也日益凸显。太阳能因其储量大、分布范围广、清洁无污染、可再生等优点成为一种最有前途的新能源，具备替代传统能源的巨大潜力而备受世界关注。其中，硅基无机太阳能电池在日常生活中可以商业化、大面积应用，但是因其制作成本高、质量重、硅资源短缺、对环境污染严重以及生产和纯化硅材料时所需能耗高等一些致命的缺点而限制了其进一步的研究和应用。近几年，有机/聚合物薄膜太阳能电池因其制作成本低、质量轻、制备工艺简单和可以制作成柔性器件等优点而备受科学家的关注，其中，本体异质结型(BHJ)聚合物太阳能电池(PSCs)由于其可以增加D/A界面处激子的有效分离和电荷传输等优势而受到广泛研究。从活性层材料角度而言，给体材料研究很多，并且也取得了一定的成果，而受体材料研究的并不多。实际上，电子受体材料同样在高性能的PSCs中起着很重要的作用。因此，本论文致力于合成在可见光区具有较宽和较强吸收、与P3HT能级匹配性较好的富勒烯衍生物和非富勒烯小分子受体材料。具体研究内容可以分为如下三部分:
　　第一部分，合成溶解性较好的新型富勒烯衍生物Cz-C60和Cz-2C60，因为咔唑有较强的给电子能力，所以Cz-C60和Cz-2C60的LUMO能级较PC60BM的LUMO能级分别提高0.05 eV和0.04 eV，且因为C60是较好的电子受体材料，所以目标化合物Cz-2C60中嫁接上两个C60有助于增强受体材料的紫外-可见吸收、提高LUMO能级和电子传输能力。对目标化合物Cz-C60和Cz-2C60的紫外-可见吸收、循环伏安、热稳定性、成膜形貌和光伏性能等几方面进行了研究，当P3HT为给体材料，PC60BM、Cz-C60和Cz-2C60分别为受体材料，且质量比例都为1∶0.75时，活性层为P3HT/PC60BM的光电转换效率PCE为3.71％，活性层为P3HT/Cz-C60的PCE为3.59％，活性层为P3HT/Cz-2C60的PCE为3.88％。
　　第二部分，继续围绕富勒烯衍生物受体材料存在的溶解性差、在可见光区的吸收较弱、与给体材料的能级匹配性差等问题开展研究。将具有给电子能力的芴酮与在可见光区具有强吸收能力的带-C8H17链的噻吩嫁接在富勒烯C60上，成功合成目标化合物FST-C60、 bis-FST-C60（双加成富勒烯衍生物）、FTT-C60、 FFT-C60。FST-C60与PC60BM的吸收光谱相对比改变不明显，但是bis-FST-C60的吸收峰位置与传统的受体材料PC60BM的峰位置不同，其没有明显的尖锐吸收峰，FTT-C60和FFT-C60分别在335 nm和334nm处有一个较强的特征吸收峰，且这两个化合物分别在360～465nm和360～500nm范围内没有尖锐的吸收峰，但是吸收强度都较PC60BM强。FST-C60、bis-FST-C60、FTT-C60和FFT-C60的LUMO能级(-3.89 eV、-3.68 eV、-3.77 eV和-3.72 eV)较PC60BM的LUMO能级(-3.93 eV)分别提高了0.04 eV、0.25 eV、0.16 eV和0.21 eV。通过热重分析可知，FST-C60、bis-FST-C60和FTT-C60比PC60BM的热稳定性差，但是FFT-C60的稳定性较PC60BM的热稳定性好。
　　第三部分，非富勒烯小分子受体材料，因为其合成简单、能级匹配性较好、成本低、在普通溶剂中的溶解性较好、在可见光区的吸收较强等特点而备受关注。本章对偶然得到的STBF、TTBF和FTBF寻找新的合成方法，最后高产率得到这三个目标化合物。在二氯甲烷溶液中STBF、TTBF和FTBF的最大吸收峰分别位于465 nm、381 nm和408 nm，LUMO能级分别为-3.27 eV、-2.86 eV和-2.61 eV，可以明显看出STBF、TTBF和FTBF的LUMO能级相对于PC60BM的LUMO能级-3.91 eV（第二章内容测出的数据）分别提高0.64 eV、1.05 eV和1.3 eV，且TTBF具有较好的热稳定性，从335℃开始分解，并且之后急剧分解，直到515℃时，TTBF完全分解，失重56％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 聚合物太阳能电池的研究进展

1．3 聚合物太阳能电池材料

1．3．1 给体材料

1．3．2 受体材料

1．3．3 聚合物太阳能电池电极和缓冲层材料

1．4 聚合物太阳能电池的结构及制备

1．4．1 聚合物太阳能电池的结构

1．4．2 聚合物太阳能电池的制备

1．5 聚合物太阳能电池的工作原理

1．5．1 入射光子的吸收及激子的产生

1．5．2 激子的扩散

1．5．3 激子的分离

1．5．4 电荷的传输和收集

1．6 聚合物太阳能电池器件的性能参数

1．6．1 开路电压(Voc)

1．6．4 能量转换效率(PCE)

1．6．5 外量子效率(EQE)

1．7 聚合物太阳能电池活性层材料的设计策略

1．7．1 聚合物太阳能电池材料需要具备的性质

1．7．2 活性层材料分子设计策略

1．8 本论文主要研究内容及创新点分析

1．8．1 本论文主要研究内容

1．8．2 本论文创新点分析

2 咔唑-C60系列化合物的合成及性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂及仪器

2．2．2 中间体及目标化合物Cz-C60和Cz-2C60的合成

2．2．3 光伏器件的制备和表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 合成与表征

2．3．2 光物理性质

2．3．3 电化学性质

2．3．4 热稳定性

2．3．5 光伏性能表征

2．3．6 形貌

2．4 本章小结

3 芴酮噻吩-C60系列化合物的合成及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．2 中间体及目标化合物FSF-C60、bis-FSF-C60、FTT-C60和FFT-C60的合成

3．3 结果与讨论

3．3．1 合成与表征

3．3．2 光物理性质

3．3．3 电化学性质

3．3．4 热稳定性

3．4 本章小结

4 联芴烯类非富勒烯小分子受体材料的合成及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂及仪器

4．2．2 中间体及目标化合物STBF、TTBF、FTBF的合成

4．3 结果与讨论

4．3．1 合成与表征

4．3．2 光物理性质

4．3．3 电化学性质

4．3．4 热稳定性

4．4 本章小结

总结与展望

总结

展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表论文