基于苯并二噻吩和三苯胺单元的D-A型有机给体材料的合成及光伏性能研究

【摘要】：有机太阳能电池具有制作成本低、质量轻等优势,已成为发展新能源的重要方向。本论文综述了有机太阳能电池及其给体材料的发展现状,并针对有机太阳能电池能量转换效率不高等关键问题,展开了聚合物和有机小分子光伏材料的分子设计、合成与性能研究。本论文构建了一系列供体-受体(D-A)型聚合物和小分子光伏材料,并系统研究了这些D-A型材料的热稳定性、光物理、电化学和光伏性能,取得了如下研究结果:1)设计合成了一类以烷氧基取代的苯并二噻吩(BDT-O)或者噻吩基取代的二维结构(2D)的苯并二噻吩(BDT-T)为给体、以2,3-二(4-甲氧基苯基)-6,7-二辛氧基喹喔啉(Qx-2)为受体的D-A型聚合物PBDTDT(Qx-2)-O和PBDTDT(Qx-2)-T。系统研究了BDT上取代基以及喹喔啉上6,7-二辛氧基对聚合物光伏性能的影响。相比于文献报道的类似物,在喹喔啉上引入6,7-二辛氧基侧链,其聚合物PBDTDT(Qx-2)-O和PBDTDT(Qx-2)-T的本体异质结聚合物太阳能电池(BHJ-PSCs)显示出了明显提高的开路电压(Voc)值(0.91~0.95 V)。在BDT-T上引入噻吩基二维结构,其聚合物PBDTDT(Qx-2)-T的BHJ-PSCs显示出了更好的光伏性能,其能量转换效率(PCE)、短路电流(Jsc)、Voc和填充因子(FF)分别为6.31%、10.82 mA/cm2、0.95 V和61.4%。该二维聚合物器件的PCE值是一维聚合物PBDTD(Qx-2)-O器件的PCE值的1.42倍。2)设计合成了一种以N,N-二苯基噻吩-2-胺(DPTA)和BDT为双给体主链,以链接在DPTA上的苯并噻二唑(BT)为受体侧链的侧链D-A型聚合物PDPAT-BDT-BT。相比于类似物PTPAT-BDT-BT,PDPAT-BDT-BT虽只减少了一个侧链苯基π桥,但呈现出了变窄的光学带隙、拓宽的吸收光谱和降低的HOMO能级(-5.43 e V)。以PDPAT-BDT-BT/PC71BM为光活性层的BHJ-PSCs显示出了提高的光伏性能,其PCE=3.27%、Voc=0.87 V、Jsc=7.61 mA/cm2、FF=49.8%。研究表明,缩短D和A单元间的共轭单元,可以改善其侧链D-A型聚合物的光伏性能。3)设计合成了一类以1,3,5-三取代苯为给体中心核、9,10-二(噻吩-2-基)蒽(TAT)为稠环芳烃π桥、吡咯并吡咯二酮(DPP)为受体支链臂、三苯胺(TPA)或噻吩为给体终端的“C3”结构的星形小分子P(TAT-DPP-T)3和P(TAT-DPP-TPA)3。相比于其他含DPP单元的星型小分子,这类“C3”结构的星形小分子引入了稠环π桥TAT,以及TPA或者噻吩给体终端。研究表明,TAT稠环π桥的引入破坏了分子的平面结构,对分子的光伏性能没有起到促进作用;TPA或者噻吩终端的引入拓宽了分子的吸收光谱。与P(TAT-DPP-T)3相比,P(TAT-DPP-TPA)3表现出了明显红移的吸收和更好的光伏性能。其器件的PCE=1.26%、Voc=0.76 V、Jsc=5.21 mA/cm2、FF=32.0%。 【关键词】：D-A结构 苯并二噻吩 苯并噻二唑 喹喔啉 吡咯并吡咯二酮
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O626;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 引言10-11
• 1.2 有机太阳能电池的简介11-13
• 1.2.1 有机太阳能电池的发展概况11-12
• 1.2.2 有机太阳能电池原理12
• 1.2.3 有机太阳能电池性能的影响因素12-13
• 1.3 聚合物太阳能电池给体材料13-20
• 1.3.1 线形D-A型聚合物太阳能电池材料14-18
• 1.3.2 支链D-A型聚合物太阳能电池材料18-20
• 1.4 有机小分子太阳能电池材料20-23
• 1.4.1 线形D-A型小分子太阳能电池材料20-22
• 1.4.2 星形D-A型小分子太阳能电池材料22-23
• 1.5 本文的设计思想和主要研究内容23-25
• 1.6 本文的创新点25-26
• 第2章 基于苯并二噻吩和喹喔啉的线形D-A型聚合物的合成及光伏性能研究26-42
• 2.1 前言26-28
• 2.2 实验部分28-31
• 2.2.1 常用原料、试剂、仪器和测量方法28
• 2.2.2 合成原料试剂28
• 2.2.3 合成路线和实验步骤28-31
• 2.3 结果与讨论31-41
• 2.3.1 材料的合成与结构的表征31-32
• 2.3.2 热力学性能32-33
• 2.3.3 光学性能33-35
• 2.3.4 电化学性能35-37
• 2.3.5 光伏性能37-40
• 2.3.6 薄膜形貌40-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第3章基于苯并二噻吩和苯并噻二唑的侧链D-A型聚合物的合成及其光伏性能的研究42-54
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验部分43-46
• 3.2.1 常用原料、试剂、仪器和测量方法43
• 3.2.2 合成原料试剂43
• 3.2.3 合成路线及实验步骤43-46
• 3.3 结果与讨论46-53
• 3.3.1 材料的合成与表征46
• 3.3.2 热稳定性46-48
• 3.3.3 光学性能48-49
• 3.3.4 电化学性能49
• 3.3.5 空穴迁移率49-50
• 3.3.6 光伏性能50-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第4章 基于吡咯并吡咯二酮和三苯胺的星形D-A型小分子材料的合成及其光伏性能的研究54-66
• 4.1 前言54-55
• 4.2 实验部分55-60
• 4.2.1 常用原料、试剂、仪器和测量方法55
• 4.2.2 合成原料试剂55
• 4.2.3 合成路线及实验步骤55-60
• 4.3 结果与讨论60-65
• 4.3.1 材料的合成与表征60
• 4.3.2 热稳定性60-61
• 4.3.3 光学性能61-62
• 4.3.4 电化学性能62-63
• 4.3.5 光伏性能63-65
• 4.4 本章小结65-66
• 总结与展望66-67
• 参考文献67-76
• 致谢76-77
• 附录A 常用原料、试剂的来源及其处理方法77-78
• 附录B 测试方法及仪器78-79
• 附录C 部分产物核磁、碳谱、质谱谱图79-94
• 硕士期间的发表的论文94

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