可溶液加工的给受体型有机小分子材料的设计合成及光伏性能

【摘要】：由于全球能源危机的日益严重，能源的枯竭和替代能源的尚未成型，人类面临着发展和生存两难的局面。因此利用最为充足的太阳能来替代化石能源成为目前非常具有前景的解决方案。目前，有机太阳能电池相对无机太阳能电池由于具有制作低成本，制备工艺简单，柔性，可大面积制备等优点，逐渐成为人们研究的热点。有机小分子太阳能电池材料，相对于聚合物材料而言，由于其具有固定的结构和分子量，较高的纯度等优点，越来越受到研究者们的关注。 本文回顾了用于体异质结太阳能电池活性层的可溶液加工的有机小分子材料的发展情况，以及体异质结太阳能电池的结构和原理，并且以此为参考设计并合成了一系列可溶液加工的给受体型有机小分子材料。通过对分子结构的调整，成功的实现了对小分子材料的能级，吸收光谱等性质的调节，并发掘了新的吊坠型的小分子结构，从而得到了一系列可溶液加工的小分子有机太阳能电池材料。具体研究成果如下： 1.使用给受体型结构的策略，通过Heck反应和Knoevenagel反应合成了两个基于噻吩单元和苯并噻二唑单元反式双键相连结构，且外围具有不同吸电子基团的小分子BvT‐DCN和BT‐C6。研究表明：这两个分子都有较好的溶解性，并且由于ICT态的存在，两个分子对光谱的吸收范围也较宽。同时两个分子的吸收光谱随着外围基团吸电子能力的增强而红移且变宽，能级则随之下移。将两个小分子材料用于以PCBM为受体的光伏器件中，由于两个分子形貌上的区别，其光电转化效率差别也很大：BvT‐DCN0.07%，BT‐C60.55%。 2.继承第二章的设计思想，继续沿用给受体型的分子结构，设计合成了两个基于苯并噻二唑和噻吩单键连接结构的线型小分子BT‐CNOC8，BT‐DCN，并借助三苯胺基团的三臂形结构，构建了吊坠型小分子TPA‐TBT，并选用合适的吸电子基团使得三个分子的吸收光谱和能级结构基本相近，进而对比线型结构与吊坠型结构两种分子结构在对光伏器件的性能的影响，研究发现吊坠型结构的小分子材料与PCBM有较好的相容性，基于TPA‐TBT的光伏器件的最高光电转化效率分别达到了1.13%。 3.基于第三章的吊坠型分子结构，设计合成了含有非对称性给受体结构的TPA‐BT‐C8分子和含有三联噻吩的TPA‐3Th分子。与第三章TPA‐TBT分子作对比，从而研究共轭长度对分子光伏性能的影响，以及主链为给受体型结构或给体结构，对分子光伏性能的影响。紫外可见吸收光谱表明，随着共轭长度的增加，分子的吸收峰位也会逐渐红移，而最终由于给受体结构分子TPA‐BT‐C8较给体结构分子TPA‐3Th对光谱优异的吸收性质，使得TPA‐BT‐C8制备的光伏器件得到的短路电流是TPA‐3Th的近两倍，从而得到TPA‐BT‐C8的最大能量转化效率达到了2.26%，较TPA‐3Th的1.21%多出了近一倍。 4.为了开发新的电子受体材料，我们合成了两个以苯并噻二唑和噻吩双键相连结构单元为核，在外围以2‐(3,5,5‐trimethylcyclohex‐2‐en‐1‐ylidene)malononitrile修饰的非富勒烯型小分子，BT‐C6和BT‐C12。两个分子都展现出较好的热稳定性，由于分子内电荷转移的作用，分子在300‐700nm之间的可见光区域有较强的吸收，且光学带隙为1.6eV。两个分子的LUMO能级都高于PCBM，从而保证了制得的光伏器件有较高的开路电压。因此，我们采用这两个小分子作受体，聚噻吩P3HT为给体，制得了体异质结太阳能电池器件，在100mW/cm2AM1.5太阳光模拟器照射下，测得器件的开路电压为0.74V，短路电流为1.63mA/cm2，填充因子为0.56，能量转化效率为0.67%。 【关键词】：可溶液加工 体异质结太阳能电池 小分子 给受体
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O621.3
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-43
• 1.1 引言12-13
• 1.2 有机太阳能电池材料的发展历程13-16
• 1.3 有机太阳能电池结构和基本原理16-18
• 1.4 体异质结有机太阳能电池材料光伏性能的影响因素18-21
• 1.5 可溶液加工的有机小分子太阳能电池材料21-31
• 1.5.1 给体材料21-28
• 1.5.2 受体材料28-31
• 1.6 本论文的设计思想与研究内容31-35
• 参考文献35-43
• 第二章 基于全反式双键相连的苯并噻二唑和噻吩基团的给受体型小分子给体材料的合成、表征及光伏性能研究43-61
• 2.1 引言43-45
• 2.2 小分子的合成45-50
• 2.2.1 试剂和仪器45-46
• 2.2.2 材料的合成46-50
• 2.3 结果与讨论50-56
• 2.3.1 合成与结构表征50
• 2.3.2 热学性质50-51
• 2.3.3 光物理性质51-53
• 2.3.4 电化学性质53-54
• 2.3.5 光伏性能54-56
• 2.4 本章小结56-58
• 参考文献58-61
• 第三章 基于单键相连的苯并噻二唑和噻吩基团的给受体型小分子给体材料的合成、表征及光伏性能研究61-80
• 3.1 引言61-63
• 3.2 小分子材料的合成63-67
• 3.2.1 试剂和仪器63-64
• 3.2.2 材料的合成64-67
• 3.3 结果与讨论67-77
• 3.3.1 合成与结构表征67-70
• 3.3.2 热学性质70
• 3.3.3 光物理性质70-72
• 3.3.4 电化学性质72-73
• 3.3.5 光伏性能73-77
• 3.4 本章小结77-78
• 参考文献78-80
• 第四章 基于三苯胺、苯并噻二唑和噻吩基团的给受体型小分子给体材料的合成、表征及光伏性能研究80-96
• 4.1 引言80-81
• 4.2 小分子材料的合成81-86
• 4.2.1 试剂和仪器81-82
• 4.2.2 材料的合成82-86
• 4.3 结果与讨论86-94
• 4.3.1 合成与结构表征86
• 4.3.2 热学性质86-87
• 4.3.3 光物理性质87-89
• 4.3.4 电化学性质89-90
• 4.3.5 光伏性能90-94
• 4.4 本章小结94-95
• 参考文献95-96
• 第五章 基于全反式双键相连的苯并噻二唑和噻吩基团的非富勒烯型小分子受体材料的合成、表征及光伏性能研究96-114
• 5.1 引言96-97
• 5.2 小分子材料的合成97-101
• 5.2.1 试剂和仪器97-99
• 5.2.2 材料的合成99-101
• 5.3 结果与讨论101-110
• 5.3.1 合成与结构表征101
• 5.3.2 热学性质101-102
• 5.3.3 光物理性质102-104
• 5.3.4 电化学性质104-105
• 5.3.5 光伏性能105-110
• 5.4 本章小结110-111
• 参考文献111-114
• 结论114-116
• 作者简介116
• 攻读学位期间发表的学术论文及获得的科研成果116-118
• 致谢118-119

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