稠环小分子受体与聚合物的设计合成及光伏性能

摘要

近年来，体异质结电池结构开始受到越来越多的科学家们的关注，主要优势在于，其可以通过溶液加工达到绿色环保的将光能转化为电能，成本较低，其中代表性是有机太阳能电池(OSCs)。有机太阳电池的器件结构主要是三层，也就是大家常说的三明治结构。最下层是电极，一般是透明的导电玻璃，中间一层是由有机材料组合的活性层薄膜，最上层也是电极，但是一般是金属。在这三层中最重要的是中间的有机活性层，主要是由给体材料与受体材料组成。给体材料一般是溶解性较好的共轭聚合物，由电子给体单元(D)和电子受体单元(A)组成，一般分子量较大，受体材料传统的有富勒烯、目前非富勒烯受体也很受欢迎;透明电极目前最常用是涂有导电材料的柔性基底或非柔性的氧化烟锡(ITO)导电玻璃;金属电极通常是银、金和铝等。在体异质结的电池研究中基于富勒烯的研究已经非常成熟，目前PCE大部分都已经超过10％。富勒烯主要是PCBM体系，但是一般是球状，成环比较大，导致溶解性较差。对太阳光的吸收也较窄。在某些给体材料上限制了电流的提高。最近两年科学家们开始转向非富勒烯的探索与研究。而非富勒烯受体比富勒烯具有合成简单、溶解性好、带隙易调节、吸光较广泛等特点深受研究者的喜爱。
　　本论文主要涉及两方面的研究:
　　1、设计新型稠环受体材料（碳氧键）制备电池，测试其光伏性能
　　以六环单元COi6为核心，在末端加上不同的端基氟原子结构，得到A-D-A非富勒烯受体COi6IC、COi6FIC和COi6DFIC。将其与FTAZ制备电池器件，经过优化后FTAZ∶COi6IC、FTAZ∶COi6FIC和FTAZ∶COi6DFIC的能量转换效率为8.25％、9.12％和8.34％，研究表明氟原子的加入由于化学键的影响，可以调节分子能级，使给受体能级更加匹配;也可以拓宽吸收，增加电流。进而提高PCE。
　　2、设计新的给体材料由五环酰亚胺延伸到十环，探索其分子结构的器件性能
　　主要设计合成了一种基于吖庚因二酮的稠环受体单元，5-(2-octyldodecyl)-4h-thieno[2'，3'∶4,5]thieno[3,2-c]thieno[2'，3'∶4,5]thieno[2,3-e]azepine-4,6(5H)-dione(TTA)，基于此受体单元与相同的给体单元BDT制备了两个新的共轭共聚物给体材料PTTABDT和PBTTABDT。重点研究了它们的热学、光学、电化学及光伏性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 有机太阳电池的器件结构

1．3 有机太阳能电池原理

1．3．1 光吸收产生激子

1．3．2 激子扩散

1．3．3 激子解离

1．3．4 电荷传输

1．3．5 电荷收集

1．4 电池器件表征的基本参数

1．4．1 开路电压(Open Circuit Voltage)

1．4．2 短路电流密度(Short Circuit Current)

1．4．3 填充因子(Fill Factor)

1．4．4 能量转换效率(Power Conversion Effective)

1．4．5 量子效率(QE)

1．5 有机太阳能电池的近展史

1．5．1 有机太阳电池给体材料研究进展

1．5．2 富勒烯(PCBM)受体材料

1．5．3 非富勒烯茈二酰亚胺(PDI)类受体材料

1．5．4 萘二酰亚胺(NDI)类受体材料

1．5．5 其它酰亚胺类受体材料

1．5．6 稠环电子受体(FREA)材料

1．6 本论文选题依据及主要内容

1．6．1 本论文的选题依据

1．6．2 本论文的主要内容

第二章 器件制备

2．1 引言

2．2 反式太阳电池制备

2．3 单载流子器件的制备

2．3．1 空穴传输器件

2．4．1 激子解离可能性

2．4．2 激子复合

2．5 活性层形貌优化方法

2．5．2 活性层膜厚

2．5．3 添加剂的选择

2．5．4 热退火与溶剂退火

2．6 器件性能表征方法

第三章 基于碳-氧桥的窄带隙非富勒烯受体材料的光伏性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂、仪器

3．2．2 实验合成部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 各类中间体与受体COi6IC、COi6FIC、COi6DFIC的合成与表征

3．3．2 核磁共振图谱(1H NMR)和(13C NMR)

3．3．3 受体材料COi6IC、COi6FIC、COi6DFIC的分子结构

3．3．4 COi6IC、COi6FIC和COi6DFIC的紫外-可见吸收特性

3．3．5 COi61C、COi6FIC和COi6DFIC的循环伏安特性

3．3．6 COi6IC、COi6FIC和COi6DFIC有机太阳能电池光伏性能

3．3．7 COi6IC、COi6FIC和COi6DFIC电池电荷传输性能

3．3．8 COi6IC、COi6FIC和COi6DFIC电池的解离与复合

3．3．9 COi6IC、COi6FIC和COi6DFIC电池的薄膜形貌

3．4 本章小结

第四章 基于环吖庚因-2，7-二酮稠环聚合物给体的器件制备与光伏性能

4．1 引言

4．2 实验结果

4．2．1 PTTABDT与PBTTABDT的分子结构

4．2．2 PTTABDT和PBTTABDT的热稳定特性

4．2．3 PTTABDT和PBTTABDT的紫外-可见吸收特性

4．2．4 PTTABDT和PBTTABDT的循环伏安特性

4．2．5 PTTABDT与PBTTABDT的光伏性能

4．2．6 PTTABDT与PBTTABDT的电池电荷传输性能

4．2．7 PTTABDT与PBTTABDT电池的解离与复合

4．2．8 PTTABDT与PBTTABDT电池的薄膜形貌

4．2．9 PTTABDT与PBTTABDT电池薄膜的XRD

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文