D-A型有机小分子光伏材料的合成及其结构与性能关系研究

摘要

21世纪以来，在化石能源的日益匮乏以及环境污染日趋严重的双重制约之下，迫使人们开发清洁、无污染、可持续发展的新能源。有机太阳能电池(OPV)由于具有清洁无污染、无地域限制、质量轻、柔性、可大面积制作以及取之不尽用之不竭等优点，成为近年来世界各国新能源开发与应用的重点研究方向。尤其是小分子有机太阳电池，由于其具有材料来源广泛、分子结构确定、没有批次差异、易于纯化、没有端基影响以及很好的重复性等优势，备受科研工作者和光伏公司的青睐。本论文对有机太阳能电池的发展历程、工作原理以及有机太阳能电池活性层给、受体材料进行了系统的阐述。针对目前有机太阳能电池能量转换效率仍然不能满足商业化生产的需求、高效给体材料种类较少、分子的结构与性能之间的关系尚不明确等关键科学问题，设计合成了系列基于吡咯并吡咯二酮(DPP)以及苯并噻二唑(BT)单元的给体(D)-受体(A)型的有机小分子太阳能电池给体材料，并表征了有机小分子光伏给体材料的分子结构，系统研究了它们的光物理性能、热稳定性能、电化学性能、电荷传输性能及其在本体异质结(BHJ)有机光伏（OPV）器件中的光伏性能，初步揭示了D-A型有机小分子光伏材料的分子结构与光物理、电化学、电荷传输、光伏等性能的关系，获得了性能优良的有机太阳能电池小分子给体材料。本论文的研究内容如下：
　　1)设计合成了一系列以三苯胺、咔唑、噻吩、菲等为末端D单元，以DPP衍生物为A单元，9,10-位、2,6-位蒽和1,6-位、2,7-位芘为中心D单元的D-A型、D-A-D型以及D1-A-D-A-D1型窄带隙小分子光伏给体材料。系统研究了小分子的构型、中心单元及其连接位置的改变、以及末端基团的改变对小分子光伏性能的影响。其中以2,7-位芘为中心D单元，2-辛基噻吩为末端D单元的小分子ThDPP2Py(2,7)显示出最好的光伏性能，其BHJ-OPV器件的能量转化效率(PCE)为5.88％，短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)分别为15.35mA/cm2、0.66V和57.89%。
　　2)设计合成了一系列以不同烷基链取代的DPP为A单元，2,7-位芘为中心D单元的A-D-A型窄带隙小分子光伏给体材料。系统研究了烷基链的长度对小分子器件性能的影响。研究结果表明，其中以2-乙基己基作为取代烷基的小分子C8-DPP2Py显示了较好的器件性能，其BHJ-OPV器件的PCE达到了5.67%，其Jsc、Voc和FF分别为11.13mA/cm2、0.85V和60.07%。
　　3)设计合成了以3-辛氧基苯或4-氟-3-辛氧基苯取代的苯并二噻吩(BDT)为中心D单元，N-烷基化以及O-烷基化的DPP为A单元的A-D-A型窄带隙小分子光伏给体材料。系统研究了氟原子取代以及DPP异构化对小分子器件性能的影响。其中基于4-氟-3-辛氧基苯取代的BDT和N-烷基化的DPP的小分子POFPBDT-2DPP显示了较好的器件性能，其BHJ-OPV器件的PCE达到了3.15%，其Jsc、Voc和FF分别为8.33mA/cm2、0.95V和39.60%。
　　4)设计合成了一个新型的五元稠环苯并二(吡啶并噻吩)(BDPT)，并以其为中心D单元，DPP、BT以及氟取代BT为末端A单元合成得到了一系列A-D-A型小分子光伏给体材料。其中基于BDPT与DPP的小分子BDPT-2DPP显示了较好的器件性能，其BHJ-OPV器件的PCE为3.97%，其Jsc、Voc和FF分别为9.00mA/cm2、0.84V和52.37%。
　　5)设计合成了一系列以咔唑、菲为末端D单元、BT衍生物为A单元、2,7-位芘为中心D单元的A-D-A型以及D1-A-D-A-D1型小分子光伏给体材料。系统的研究了分子的构型以及分子内非共价键作用力的引入对小分子器件性能的影响。其中基于咔唑和BT的小分子Py-2DTBTCz显示了较好高的器件性能，其BHJ-OPV器件的PCE为2.89%，其Jsc、Voc和FF分别为7.68mA/cm2、0.99V和37.81%。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 有机太阳能电池的研究背景

1.2 有机太阳能电池的基本理论

1.3 有机太阳能电池的工作原理

1.4 有机太阳能电池的基本参数

1.5 有机太阳能电池材料

1.6 论文的设计思想与主要研究内容

参考文献

第2章 小分子构建方式、中心单元的改变及其连接位置对基于吡咯并吡咯二酮的小分子给体材料性能影响研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第3章 小分子末端基团对基于吡咯并吡咯二酮的小分子给体材料性能影响研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第4章 烷基链的长度对基于吡咯并吡咯二酮的A-D-A型小分子给体材料的性能影响研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第5章 氟原子取代以及异构化对基于吡咯并吡咯二酮的

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第6章 新型苯并二(吡啶噻吩)单元的构建及其在A-D-A型小分子给体材料的应用及其性能研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

参考文献

第7章 基于苯并噻二唑、芘、咔唑单元的A-D-A型及D1-A-D-A-D1型小分子给体材料的合成及其性能研究

7.1 引言

7.2 实验部分

7.3 结果与讨论

7.4 本章小结

参考文献

结论与展望

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表论文情况

附录B 有机中间体及目标化合物的谱图