基于杂原子稠合的苝二酰亚胺受体的合成及光伏性能研究

摘要

太阳提供了人类已知的最大能量来源，人们采用多种方式进行光能转换从而利用太阳能。目前，太阳能转换仍然致力于新材料、新设备的研究与开发，最有潜力的相关领域是太阳能光伏材料。提高效率，降低成本，稳定性及商用性问题是太阳能光伏材料领域研究的重点方向。该领域的持续进展对减缓气候变化影响和能源安全具有战略意义。 苝二酰亚胺（PDIs）是一种廉价易得的有机染料，具有可见光区吸收性强，热和光稳定性好等优点，近年来，已经被广泛应用于近红外染料、有机场效应晶体管、有机光伏器件中。苝二酰亚胺具有较高的电子亲和能（较低的LUMO能级），并且由于其共轭大π键之间的π-π堆叠使沿堆叠方向具有很高的电子迁移率。但大的平面结构会倾向于形成过大的结晶域，限制了其在有机太阳能电池（OSC）中的应用。为了抑制PDIs的聚集趋势，可以将O，S，Se等杂原子并入PDIs单元的海湾位置，从而改变苝二酰亚胺的光电性质。 有机分子中激发态的性质决定了它们众多的光学性质，合理设计有机材料以实现具有定制光学性质的激发态仍然是一个重大挑战。双光子（TPA）过程是非线性光学（NLO）现象，可以通过访问TPA来评估该过程的效率，其中一个分子可以吸收具有相同或不同频率的两个光子，以便从一个状态激发到更高的能量状态。具有高双光子吸收特性的有机分子由于其在三维（3D）荧光成像，激光上转换，光功率限制，光动力治疗和3D光学数据存储中的潜在应用而吸引了许多科学家的注意。有机π-共轭化合物得益于其多样化的优势，包括明确的结构多样性，灵活性和功能性，快速响应和可变带隙，已被广泛应用为NLO材料，以增强TPA吸收截面。 基于上述原因，设计合成了一系列应用于有机太阳能电池及非线性光学方面的有机材料，本论文的主要工作如下： （一）设计了新的螺旋桨形PDIs受体材料，以四苯乙烯（TPE）为核心，修饰湾位处分别为S/Se杂环稠合的PDIs，选择合适的给体材料制备电池器件，均获得了较高的电池效率。以PBDB-T1为供体的TPE-PDI4-Se器件的光电转换效率（PCE）为7.63％，VOC为1.08V，JSC为10.28mA cm-2，填充系数高达68.8％，相对于基于TPE-PDI4-S的装置，PCE增加11.4％（6.85％）。 （二）为了研究同一氧族元素O、S、Se修饰PDIs湾位后的衍生物对太阳能电池光电性质的影响，设计了以螺二芴为核心，以不同氧族原子稠合的PDIs作为外围基团，获得得到三种目标受体材料（SF-PDI-O、SF-PDI-S、SF-PDI-Se）。选择光谱与能级匹配的给体材料，制备电池器件，研究不同氧族原子掺杂的PDIs对光电性能的影响。 （三）设计合成了三种以四氮杂萘单元为核心的新型氮杂芳烃，即SDNU-1，SDNU-2和SDNU-3。四个三异丙基硅基-乙炔（TIPS）基团连接在骨架上，这保证所制备的氮杂芳烃易溶于常用的有机溶剂。化合物SDNU-2的固体发光量子效率（PLQEs）高达75.3％，这是目前氮杂芳烃的最高效率。该结果为设计新型基于氮杂芳烃材料提供了有价值的指导。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能的应用

1.3 太阳能电池的分类

1.4.有机太阳能电池工作原理

1.5 有机太阳能电池性能参数

1.6 有机太阳能电池分类

1.7 有机太阳能电池给、受体材料

参考文献

第二章 基于S/Se修饰的苝二酰亚胺受体三维高性能聚合物太阳能电池

2.1 设计思路

2.2 实验部分

2.2.1 主要试剂和来源

2.2.2 分析测试与仪器

2.2.3 太阳能电池制造和表征

2.2.3 合成路线及具体实验方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 结构与表征

2.3.2 热力学性质

2.3.3 光学和电化学性质

2.3.4 理论分析

2.4 器件制备

2.4.1 电池给体材料的选择

2.4.2 太阳能电池器件制备

2.4.3 电池器件的OPV性能

2.5 本章小结

参考文献

第三章 基于S/Se/O修饰的苝二酰亚胺受体三维高性能聚合物太阳能电池

3.1 设计思路

3.2 实验部分

3.2.1 主要试剂和来源

3.2.2 分析测试与仪器

3.2.3 合成路线及实验过程

3.3 结果与讨论

3.3.1 结构与表征

3.3.2 材料光学性质

3.3.3 材料化学能级

3.4 电池器件制备

3.5 本章小结

参考文献

第四章：四氮杂萘基N-杂乙烯的合成，光物理性质和双光子吸收研究

4.1 设计思路

4.2 实验部分

4.2.1 主要试剂和来源

4.2.2 分析测试与仪器

4.2.3 合成路线及实验过程

4.3 结果与讨论

4.3.1 实验结果表征

4.3.2 稳定性表征及SDNU-1的晶体数据

4.3.3 光学及电化学性质

4.4 固态荧光研究

4.5 双光子吸收研究

4.6 本章小结

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的学术论文

攻读硕士期间发表的专利

致谢