含噻唑和吲哚基团的有机光伏材料的合成及性能研究

摘要

能源问题是人类当前面临的一个严峻问题。随着化石能源的日益枯竭，新型可再生清洁能源的开发是科学工作者研究的重点。其中，有机太阳能电池（OSCs）作为一类低成本、清洁的可再生能源的利用方式，已经成为时下科研和工业领域共同研究的热点。目前，面临的最大问题是有机太阳能电池的光电转换效率还没办法满足产业化的需要。在这个背景下，我们设计并合成了三类共七种有机太阳能电池材料，采用核磁共振、红外光谱、飞行时间质谱等测试方法对所合成的化合物进行了结构表征。并对这些材料的光物理、电化学和光伏性能进行了研究。主要研究内容如下：
　　1.设计并合成了两个主链含有苯并二噻吩和噻唑，侧链为苯并噻二唑并二噻吩（DTBT）及其衍生物(DTffBT)的聚合物(PT-Tz-DTBT和PT-Tz-DTffBT)，并对其光物理、电化学和光伏性能做了测试。两个聚合物(PT-Tz-DTBT和PT-Tz-DTffBT)都具有相当低的HOMO能级，分别是-5.58 eV和-5.59 eV。应用到本体异质结太阳能电池中，使用PC61BM作为电子受体时，PT-Tz-DTBT和PT-Tz-DTffBT得到的光电转换效率分别是2.63％和3.75%。使用PC71BM作为受体时，PT-Tz-DTffBT的正向器件和反向器件得到的效率分别是3.65%和4.42%。
　　2.设计并合成了两种含三苯胺和吲哚的D-D-π-A型有机染料（SD1和SD2）。并将其应用到染料敏化太阳能电池（DSSCs）当中。还首次将SCN基团引入到纯有机染料(SD2)中，并研究了这个基团对其光物理，电化学和光伏性能的影响。研究发现，这个基团的引入，使该染料的光伏性能得到了加强。在AM1.5的模拟太阳光照下，基于SD2的电池获得了6.74%的能量转换效率，而没有SCN基团的SD1的效率仅有5.53%。
　　3．设计并合成了三个D-π-A型的有机染料分子(LD1、LD2和LD3)。并应用到了染料敏化太阳能电池中。研究了分子中的噻吩支链结构的不同对其性能的影响。研究发现，支链为共轭结构的分子光电转换效率更高。三个染料中效率最高的是含有乙烯噻吩的LD3，其能量转换效率达到了7.84%。

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第1章 文献综述

1.1 研究背景

1.2 聚合物太阳能电池的研究进展

1.3 染料敏化太阳能电池 (DSSCs) 简介及研究现状

1.4 论文的设计思想与研究内容

第2章 含噻唑基团的高效聚合物太阳能电池的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 基于三苯胺和吲哚衍生物的D-D-π-A型有机染料的合成及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 噻吩上带有不同共轭侧基的有机染料的合成及性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A: 试剂、药品及其纯化方法

附录B: 仪器及测试条件和方法

攻读硕士学位期间发表论文及专利情况