DPP类小分子有机光伏材料的研究

【摘要】：小分子有机光伏材料因具有明确的分子结构,易于制备和提纯,具有较高的重复性,易于实现工业化生产等特点而越来越受到关注。理想的有机光伏材料需要同时具备宽而强的光吸收能力,合适的HOMO-LUMO能级,高载流子迁移率和较好的成膜性等特点。吡咯并吡咯酮(DPP)是一种常见的强吸电子单元(A),它与给电子单元(D)偶联之后,易得到窄带隙的化合物,同时它的平面共轭结构赋予了它良好的载流子传输性能。基于此,本论文从分子设计的角度出发,以DPP为吸电子单元的基础上构建不同D-A结构的小分子光伏材料,并研究了它们在有机太阳电池中的应用。本论文的工作具体分以下三部分： 1.设计合成了分别以无取代,氟原子取代和正丁基取代的双苯基单DPP(Mono-DPP)小分子PDPPP、FPDPPPF和RPDPPPR。这三个分子具有相似的光学带隙和能级结构,却表现出不同的光伏性能,其中以正丁基为末端基的RPDPPPR表现出最好的能量转换效率(PCE)。通过表征发现短的烷基链有利于该小分子结晶并在活性层中形成精细的相分离结构,因此提高了载流子分离效率和传输性能。 2.设计合成了以芴为核的双DPP (Bis-DPP)小分子DPP-F和末端接醛基的FP-DPP-F,这两个分子都具有较好的热稳定性与较宽的光吸收。其中DPP-F具有与PCBM和P3HT相匹配的能级,展现出双极性：当DPP-F作为给体,PC71BM作为受体制备电池时,PCE达到了3.26%,而以DPP-F为受体,P3HT为给体制备成电池时,PCE达到了3.17%,并得到了1.18V的Voc。此外,我们以DPP-F为受体,通过大面积R2R的加工方法制备了柔性大面积器件,PCE达到了0.64%。 3.设计合成了以苯并双噻吩(BDT)为核的Bis-DPP小分子给体材料DPP-BDT以及末端接烷基链的R-DPP-BDT。两个小分子具有较好的热稳定性,比DPP-F更窄的带隙。在制备成器件后,DPP-BDT由于具有更宽的吸收范围和更高的空穴迁移率,使其表现出比DPP-F更高的Jsc和FF,最高PCE达到了4.06%。而R-DPP-BDT由于末端基影响了分子堆积,只获得了1.18%的PCE。 【关键词】：有机小分子光伏材料 小分子太阳电池 吡咯并吡咯酮 取代基效应
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-13
• 第一章 绪论13-41
• 1.1 引言13-15
• 1.2 有机太阳电池的器件结构和工作原理15-20
• 1.2.1 有机太阳电池的器件结构15-17
• 1.2.2 有机太阳电池的工作原理17-19
• 1.2.3 有机太阳电池的主要性能参数19-20
• 1.3 小分子有机太阳电池及小分子活性层材料研究进展20-39
• 1.3.1 小分子有机太阳电池20-23
• 1.3.2 小分子给体材料的研究进展23-36
• 1.3.3 非富勒烯类小分子受体简介36-39
• 1.4 本论文的课题提出与研究方向39-41
• 第二章 末端基对双苯基取代mono-DPP小分子给体材料光伏性能的影响41-55
• 2.1 引言41
• 2.2 实验部分41-46
• 2.2.1 主要原料和试剂41-42
• 2.2.2 实验仪器42
• 2.2.3 目标化合物合成42-45
• 2.2.4 器件制备和表征45-46
• 2.3 结果与讨论46-53
• 2.3.1 Mono-DPP小分子的合成与表征46-47
• 2.3.2 Mono-DPP小分子的光学性能47
• 2.3.3 Mono-DPP小分子的电化学性能47-49
• 2.3.4 Mono-DPP小分子的光伏性能与表征49-53
• 2.4 结论53-55
• 第三章 以芴为给电子单元的Bis-DPP双极性小分子的合成与光伏性能的研究55-73
• 3.1 引言55-56
• 3.2 实验部分56-61
• 3.2.1 主要原料和试剂56
• 3.2.2 实验仪器56-57
• 3.2.3 目标化合物合成57-60
• 3.2.4 器件制备和表征60-61
• 3.3 结果与讨论61-71
• 3.3.1 DPP-F和FP-DPP-F的合成与表征61-63
• 3.3.2 DPP-F和FP-DPP-F的光学性能63-64
• 3.3.3 DPP-F的电化学性能64-65
• 3.3.4 DPP-F做为给体时的光伏性能65-67
• 3.3.5 DPP-F作为受体时的光伏性能67-69
• 3.3.6 DPP-F作为受体在大面积卷对卷加工中的应用69-71
• 3.4 结论71-73
• 第四章 以BDT为给电子单元的Bis-DPP小分子给体的合成与光伏性能研究73-87
• 4.1 引言73-74
• 4.2 实验部分74-78
• 4.2.1 主要原料和试剂74
• 4.2.2 实验仪器74
• 4.2.3 目标化合物合成74-77
• 4.2.4 器件制备与表征77-78
• 4.3 结果与讨论78-85
• 4.3.1 合成与表征78-79
• 4.3.2 DPP-BDT和R-DPP-BDT的光学性能79-80
• 4.3.3 DPP-BDT和R-DPP-BDT的电化学性能80-81
• 4.3.4 DPP-BDT和R-DPP-BDT的光伏性能81-82
• 4.3.5 DPP-BDT性能表征和研究82-85
• 4.4 结论85-87
• 主要结论与创新点87-89
• 主要结论87-88
• 创新点88-89
• 参考文献89-101
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果101-103
• 作者简介103

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