基于咔唑-吡咯并吡咯二酮的有机小分子光伏材料的合成与性质

摘要

有机小分子太阳能电池作为一种新型能源的载体且具有诸多其他电池所无法替代的优点而在近几年的研究中逐渐引起人们的广泛关注，目前单节有机小分子太阳能电池的最高光电转化效率已经突破11%，标志着有机小分子太阳能电池的研究取得了一定的进展。本文采用咔唑作为分子设计的给电子单元，吡咯并吡咯二酮作为分子设计的吸电子单元，同时在末端引入吸电子基团4-氟苯基、4-氰基苯基以及给电子基团4-甲氧基苯基，设计合成了四个D-π-A结构的不对称型分子作为给体材料，同时选择PC61BM作为与之相匹配的受体材料，采用本体异质结的器件结构来进行有机光伏器件的制作。 通过1H-NMR、13C-NMR以及MALDI-TOF HRMS对已合成的四种材料进行结构表征。在此基础上，通过对四种材料进行热重性质测试、荧光淬灭测试等来证明所合成的分子可以与PC61BM混合制备本体异质结器件。通过理论计算来研究分子在理论情况下的能级以及电子云分布情况。通过紫外-可见吸收测试、循环伏安测试、荧光发射曲线测试等方法对分子的光学和电化学性质展开深入的研究。最后，与受体材料PC61BM混合来进行光伏器件的制作。 实验结果表明，末端取代基的引入改变了分子的能级和电子云分布，进而对于分子的光学、电化学以及光伏性质都具有较大的影响。其中CZBTDPPF和CZBTDPPO两个分子表现出了相对较好的光伏性质，分别实现了1.97%和1.91%的光电转化效率，在后期的实验中还可进行进一步的器件优化。引入咔唑结构单元可以实现对于分子HOMO能级的降低，使相应的器件获得了相对较高的开路电压。烷基链的引入可以提升分子的溶解性，但是也会使得分子的平面性受到破坏，因此在分子设计时需综合考虑。 通过本论文所进行的一系列实验，为后续基于咔唑和吡咯并吡咯二酮为基本单元的有机小分子电池的研究提供了参考依据。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 太阳能电池类型

1.3 有机太阳能电池基本概况

1.3.1 有机太阳能电池基本工作原理

1.3.2 有机太阳能电池器件结构

1.3.3 有机太阳能电池性能表征参数

1.4 有机太阳能电池活性层材料

1.4.1 有机太阳能电池受体材料

1.4.2 有机太阳能电池给体材料

1.5 有机小分子给体材料结构类型

1.6 有机太阳能电池给体材料基本设计原则

1.7 基于咔唑吡咯并吡咯二酮有机小分子给体材料的基本设计原则

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.2 溶剂预处理

2.3 基于咔唑吡咯并吡咯二酮分子的合成

2.3.1 吸电子单元A的合成

2.3.2 咔唑给电子单元D的合成

2.3.3 目标分子产物的合成

2.4 本体异质结有机光伏器件的制作

3 结果讨论

3.1 分子热稳定性测试

3.2 DFT和TD-DFT理论计算结果分析

3.3 紫外-可见吸收测试

3.4 电化学性质测试

3.5 荧光性质测试

3.6 器件光伏性质测试

结论

参考文献

附录 目标分子的结构表征谱图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢