基于喹喔啉衍生物的有机小分子光伏材料的研究

摘要

因为小分子光伏材料的制备与提纯比较容易，而且属于环境友好型光伏材料，因此与其他材料相比，小分子材料更具优势。最新报道的有机小分子给体材料光伏电池的效率已经突破10％的大关。这为小分子类光伏电池在将来实现商业和市场化提供了可能。
　　本论文设计并合成了基于三种喹喔啉衍生物的8种有机小分子光伏给体材料。喹喔啉单体是一个吸电子单元(A)，喹喔啉具有独特的结构，容易被修饰，在引入氟原子后，喹喔啉单元的吸电子能力增强。以三苯胺(TPA)作为给电子体单元(D)，并分别引入单键、双键、三键、氰基乙烯基作为π桥键，与带有不同数目氟原子的喹喔啉偶联，构成了本文所设计的D-A-D型光伏给体材料。
　　本论文用核磁共振和高分辩质谱对设计的8个D-A-D型材料进行结构表征，通过GaussView09对材料进行密度泛函数理论计算，确定8个材料的能级能够分别与本实验室使用的PC61BM（受体材料）的能级相匹配。并且分别对材料进行了紫外-可见吸收的测试，循环伏安法测试和器件测试来获得材料光学性质，电化学性质和光电数据。
　　通过对8个目标材料测定的数据结果的分析得出以下结论:(Ⅰ)将氟原子引入材料后，氟原子的吸电子诱导效应明显降低了材料的HOMO能级，这也是材料获得较高的开路电压（Voc）的重要原因之一。(Ⅱ)氰基系列的材料都具有较高的短路电流密度(Jsc)，D结构上引入氰基乙烯基作为π桥键，氰基的吸电子诱导效应有利于增大材料的Jsc。(Ⅲ)三键系列的材料具有较高的Voc，TPAFTQOL和TPAFFTQOL的Voc分别为1.09 V，1.08 V。三键材料具有更好的共轭性及刚性结构，是增大材料的Voc的原因之一。(Ⅳ)三键系列和氰基系列中，引入一个氟原子的材料TPAFTQOL和TPAFCQOL分别具有最高的Voc=1.09 V和最高的PCE=3.99％。说明引入一个氟原子对材料的影响是最理想的。(Ⅴ)氰基系列的三个材料TPACQOL，TPAFCQOL，TPAFFCQOL都具有很高的光电转化效率(PCE)。TPACQOL、TPAFCQOL、TPAFFCQOL的光电转化效率分别为3.40％、3.61％、3.99％，从数据分析中不难看出，TPAFCQOL具有最优的光电性能。说明此类材料在以后的深入研究中具有很大的潜力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 光伏材料电池

1．1．1 光伏电池的利用及发展

1．1．2 光伏电池的发展

1．1．3 光伏电池的分类

1．2 有机光伏电池

1．2．1 有机光伏电池的工作原理

1．2．2 有机光伏电池的性能参数

1．3 有机聚合物光伏电池

1．3．1 有机聚合物给体材料

1．3．2 有机聚合物受体材料

1．4 有机小分子光伏电池

1．4．1 有机小分子受体材料

1．4．2 有机小分子给体材料—三苯胺类

1．4．3 有机小分子给体材料—DPP类

1．4．4 有机小分子给体材料—低聚噻吩类

1．4．5 有机小分子给体材料—卟啉类

1．4．6 有机小分子给体材料—喹喔啉类

1．5 本论文目标分子的设计思路

2 实验部分

2．1 仪器与药品试剂

2．1．1 实验仪器

2．1．2 药品试剂

2．2 特定药品的预处理

2．3 目标材料的合成

2．3．1 三种喹喔啉衍生物受体单元的合成

2．3．2 三苯胺给体单元的合成

2．3．3 目标材料的合成

2．4 BHJ光伏器件的制作

3 结果与讨论

3．1 目标分子的合成

3．2 光学表征

3．3 DFT理论计算

3．4 循环伏安法测定化学性质

3．5 器件测试

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢