三键为桥的吡咯并吡咯二酮类窄带隙小分子的合成与光伏性质研究

【摘要】：本文设计并合成了一系列以吡咯并吡咯二酮为中心核，以三键为桥键的有机小分子光伏材料，在此基础上设计了两种结构类型的分子，即A-π-A-π-A型的有机小分子A1，A2，A3和A4；D-π-A-π-D型的有机小分子D1，D2，D3和M1，从而考察两种结构的光伏性质差别。本文除了小分子M1外，其他七个小分子的中心核DPP均是以三键形式同末端吸电子单元（噻吩甲醛，苯甲醛，苯乙腈，三氟甲苯）或给电子单元（咔唑，芴，三苯胺）相连接的，而在分子M1中，DPP是通过单键与末端烷基化的咔唑相连的，这样设计的目的是为了考察桥键对分子结构及性能的影响。为了从分子结构角度了解分子的性质，本文采用密度泛函理论对新材料的基态几何结构进行了计算，同时，对新材料的紫外-可见吸收以及电化学循环伏安等性质也进行了测试，从而掌握分子的光物理及电化学性质。 研究表明，这八种新材料均具有适宜的能级排布且对太阳光有较宽吸收，均为很好的光伏材料。其中A-π-A-π-A型小分子由于具有较低的HOMO和LUMO能级而被视为良好的两性材料，即既可用作给体材料又可用作受体材料，而四种D-π-A-π-D型小分子则是良好的给体材料。同时，对小分子D1与M1的性质研究发现，与M1相比，含有三键的D1物质表现了较低的HOMO能级和较窄的带隙宽度，且具有较强的分子平面性。为了进一步研究不同桥键对物质光伏性能的影响，我们还对这两种物质进行了荧光淬灭实验，并且将两种物质分别用于本体异质结（BHJ）溶液过程的光伏器件制作中，其结构为ITO/PEDOT: PSS/donor:PC_(61)BM/LiF/Al。其中，由D1做为给体材料的器件，在模拟太阳光AM1.5G (100mW/cm~2)下，得到较高的开路电压（Voc）值为0.73V，光电转换效率（PCE）为0.38%。 【关键词】：有机小分子光伏材料 吡咯并吡咯二酮 A-π-A-π-A结构 D-π-A-π-D结构 三键 光伏器件
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O621.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-24
• 1.1 太阳能电池的发展9
• 1.2 有机太阳能电池简介9-13
• 1.2.1 有机太阳能电池的结构及其工作原理10-12
• 1.2.2 有机太阳能电池的性能表征参数12-13
• 1.3 溶液过程有机小分子光伏材料13-21
• 1.3.1 给体材料13-19
• 1.3.1.1 寡聚噻吩类有机小分子给体材料13-15
• 1.3.1.2 三苯胺类有机小分子给体材料15-17
• 1.3.1.3 基于吡咯并吡咯二酮的有机小分子给体材料17-18
• 1.3.1.4 π共轭结构在光伏材料中发挥的重要作用18-19
• 1.3.2 受体材料19-21
• 1.3.2.1 富勒烯及其衍生物19-20
• 1.3.2.2 有机小分子受体材料20-21
• 1.4 本论文的设计思想与研究内容21-24
• 第二章 实验部分24-35
• 2.1 试剂及药品24-25
• 2.2 测试仪器25
• 2.3 有机小分子光伏材料的合成25-34
• 2.3.1 吡咯并吡咯二酮为中心的吸电子单元的合成25-27
• 2.3.2 芳香类吸电子单元的合成27-28
• 2.3.3 给电子单元的合成28-31
• 2.3.4 有机小分子光伏材料的合成31-34
• 2.3.5 光伏器件的制作与测试34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 结果与讨论35-47
• 3.1 目标分子的合成与结构表征35
• 3.2 理论计算35-38
• 3.3 光学性质38-40
• 3.4 电化学性质40-43
• 3.5 荧光淬灭实验43-45
• 3.6 光伏器件测试45-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第四章 结论47-48
• 参考文献48-56
• 硕士期间论文发表情况56-57
• 致谢57-58
• 附录58-64

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