基于喹噁啉的星状有机光伏材料的合成及其性能研究

【摘要】：本论文综述了有机小分子光伏材料和太阳能电池的研究现状。影响太阳能电池性能的主要因素是：给体材料的吸收光谱、溶解性和载流子迁移率。为了提高小分子材料的载流子迁移率和拓宽其吸收光谱，本文设计合成了基于喹噁啉结构单元的星状D_4-A型有机小分子光伏材料、窄带隙的星状D_4-A型有机小分子光伏材料和双受体的星状D(AD)_2型三类有机小分子光伏材料。通过~(1)H NMR、~(13)C NMR和质谱对目标化合物的结构进行了表征，并通过紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、热失重分析(TGA)和循环伏安(CV)等方法研究了有机小分子材料的光物理、热稳定性和电化学性能。制作了基于有机小分子材料构筑的太阳能电池器件，研究了材料的不同分子结构对其光伏性能的影响。 本论文研究的主要内容有： 1.设计合成了4个基于喹噁啉结构单元的星状D_4-A型有机小分子光伏材料，探讨了增加强供体单元个数对材料的光物理、热稳定性、电化学和光伏性能的影响。研究结果表明：随着强供体单元个数的增加，其紫外-可见吸收光谱发生明显的红移，同时光电转换效率也有了一定程度的提高。在模拟太阳光(AM1.5,100mW/cm~2)照射下，与PC_(60)BM (1:3w/w)共混制作的有机小分子太阳能电池的光电转换效率达到了0.37%。 2.设计合成了6个窄带隙的星状D_4-A型有机小分子光伏材料，系统研究了增加噻吩单元个数对材料的光物理、热稳定性、电化学和光伏性能的影响。研究结果表明：随着噻吩个数的增加，化合物的共轭度增加，紫外-可见吸收光谱发生了明显的红移，能隙降低。与f(1:3w/w)共混制作的太阳能电池中，获得的的光电转换效率达到了1.11%。 3.以不同电子传输能力的咔唑、芴和苯并二噻吩的衍生物为桥联体，设计合成了3个双受体的星状D(AD)_2型有机小分子光伏材料。探讨了咔唑、芴和苯并二噻吩衍生物对材料的光物理、热稳定、电化学和光伏性能的影响。研究结果表明：随着咔唑、芴、苯并二噻吩衍生物的电子传输能力的增强，这些材料的紫外-可见吸收光谱变宽、能隙降低。与PC_(60)BM共混制作的太阳能电池中，获得的的光电转换效率达到了0.23%。 本论文研究表明，材料的分子设计对于获得稳定性好、光伏效率高的有机小分子光伏材料是至关重要的。通过对喹噁啉单元进行结构修饰，可以达到优化材料光伏性能的目的。本研究对于探索基于喹噁啉结构单元的有机小分子的分子结构对材料的光伏性能的影响、探索提高有机小分子材料的光伏效率的途径和获得新型的高效有机小分子光伏材料具有积极的现实意义。 【关键词】：有机小分子太阳能电池 星型 喹噁啉 光伏性能 合成
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 引言9-10
• 1.2 有机太阳能电池的工作原理10-11
• 1.3 有机太阳能电池的器件结构11-12
• 1.3.1 单层 Schottky 器件11
• 1.3.2 双层器件11-12
• 1.3.3 本体异质结器件12
• 1.4 有机太阳能电池常见的性能表征参数12-13
• 1.5 有机小分子太阳能电池13-20
• 1.5.1 有机小分子太阳能电池简介13-14
• 1.5.2 有机小分子太阳能电池材料14-20
• 1.6 论文的设计思想与主要研究内容20-22
• 1.6.1 论文的设计思想与创新点20-21
• 1.6.2 论文的主要研究内容21-22
• 第2章 基于喹噁啉结构单元的星状 D_4-A 型有机小分子光伏材料的设计合成及性能研究22-42
• 2.1 引言22-23
• 2.2 实验部分23-33
• 2.2.1 实验所用原料与试剂23-24
• 2.2.2 实验仪器与测试条件和方法24
• 2.2.3 实验合成路线24-27
• 2.2.4 实验步骤27-33
• 2.3 结果与讨论33-41
• 2.3.1 中间体和目标产物的合成及结构表征33-34
• 2.3.2 有机小分子的热稳定性能34-35
• 2.3.3 有机小分子的紫外-可见吸收光谱35-37
• 2.3.4 有机小分子的密度泛函理论计算37
• 2.3.5 有机小分子的表面形貌特征37-38
• 2.3.6 有机小分子的电化学性能38-39
• 2.3.7 有机小分子的光伏性能39-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第3章 窄带隙的星状 D_4-A 型有机小分子光伏材料的设计合成及性能研究42-57
• 3.1 引言42
• 3.2 实验部分42-49
• 3.2.1 实验所用原料与试剂42
• 3.2.2 实验仪器与测试条件和方法42-43
• 3.2.3 实验合成路线43-45
• 3.2.4 实验步骤45-49
• 3.3 结果与讨论49-56
• 3.3.1 中间体和目标产物的合成及结构表征49
• 3.3.2 有机小分子的热稳定性能49-50
• 3.3.3 有机小分子的紫外-可见吸收光谱50-52
• 3.3.4 有机小分子的电化学性能52-53
• 3.3.5 有机小分子的光伏性能53-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 双受体的星状 D(AD)_2型有机小分子光伏材料的设计合成及性能研究57-66
• 4.1 引言57
• 4.2 实验部分57-60
• 4.2.1 实验所用原料与试剂57
• 4.2.2 测试仪器与测试条件和方法57
• 4.2.3 实验合成路线57-58
• 4.2.4 实验步骤58-60
• 4.3 结果与讨论60-65
• 4.3.1 中间体和目标产物的合成及结构表征60-61
• 4.3.2 有机小分子的热稳定性能61
• 4.3.3 有机小分子的紫外-可见吸收光谱61-63
• 4.3.4 有机小分子的电化学性能63
• 4.3.5 有机小分子的光伏性能63-65
• 4.4 本章小结65-66
• 总结与展望66-67
• 参考文献67-74
• 致谢74-75
• 在学期间发表的学术论文75-76
• 附录 A 目标分子的核磁氢谱图76-82
• 附录 B 目标分子的核磁碳谱图82-88
• 附录 C 目标分子的飞行时间质谱图88-93

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