基于卟啉和酞菁的阴极界面修饰材料及其在有机太阳能电池中的应用

【摘要】：近年来，有机太阳能电池(OSCs)发展迅速，在材料开发、器件结构和界面工艺的优化方面取得了很大的进步，单节OSCs器件能量转化效率(PCE)已经突破10%。然而改良阴极界面修饰层减小电荷收集/分离的障碍形成欧姆接触提升PCE近年来引起科研工作者越来越多的关注。氟化锂、金属氧化物和醇或水溶解的聚合物和有机小分子常用为阴极界面修饰材料，相比于其它的阴极界面修饰材料，醇或水溶解性的有机小分子和聚合物在OSCs器件制作过程中利用旋涂技术形成界面修饰层，避免了真空蒸镀设备制膜的繁琐。本论文中，首先我们合成了一系列离子型卟啉和酞菁阴极界面修饰材料并研究了它们的物理化学性质；然后，我们利用新合成的卟啉和酞菁衍生物制备成阴极界面修饰层，探究其光伏性能。 1、第二章中，我们合成了三种离子型的卟啉衍生物：Zn-TPyPMeI、Zn-TPyPAdBr和MnCl-TPyPAdBr。利用旋涂方法将三种化合物制备成阴极界面修饰层，以PCDTBT和PC71BM共混做为光活性层，制备成传统的正装OSCs器件。相比于无阴极界面修饰层的光伏器件，器件的短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)提升幅度很大，其中以MnCl-TPyPAdBr作为阴极界面修饰层，器件的PCE最高，达到6.86%。通过改变四吡啶基卟啉(H2-TPyP)分子中连接吡啶官能团的亲水端基和中心配位金属，实现了对阴极界面修饰层光伏性能的微调控，为制备性能更加优异的阴极界面修饰材料提供了有益的信息。 2、第三章中，首先用2-二甲胺基乙硫醇官能团取代酞菁锌的八个β位置(ZnPc[S(CH2)2N(CH3)2]8)，然后再经过甲基化得到离子型的酞菁锌衍生物ZnPc[S(CH2)2N(CH3)3I]8。利用旋涂方法将ZnPc[S(CH2)2N(CH3)3I]8制备成阴极界面修饰层，以PCDTBT和PC71BM共混做为光活性层，制备成传统的正装OSCs器件。相比较无阴极界面修饰的光伏器件，Jsc、Voc和FF提升显著，PCE进一步提升至7.06%。 3、第四章中，通过改变连接在2,3,9,10,16,17,23,24-octakis (3-pyridyloxy)vanadylphthalocyanine (VOPc(OPy)8)分子中吡啶官能团上的烷基链，合成了三种离子型的酞菁衍生物：VOPc(OPyC2H5Br)8、VOPc(OPyC4H9Br)8和VOPc(OPyC6H13Br)8。并利用旋涂方法制备成阴极界面修饰层，以PTB7：PC71BM共混做为光活性层，制备成传统的正装OSCs器件。在本章中我们通过简单的有机合成方法，增长连接在VOPc(OPy)8吡啶官能团上的烷基链，一方面减弱分子间的相互作用，另一方面增加烷基链的长度能把这类离子型酞菁化合物从水溶性变成醇溶解性的，增加与疏水性光活性层的浸润性。这些为开发高性能且高成膜质量的阴极界面修饰材料提供了有帮助的信息。 4、第五章中，我们以2,3,9,10,16,17,23,24-octakis-[N-methyl-(3-pyridyloxy)] zincylphthalocyanine iodide (1:8)(ZnPc(OPyCH3I)8)为核心，在ZnPc(OPyCH3I)8的八个位置引入不同长度的烷氧基链合成出三种醇溶解性的酞菁衍生物： ZnPc(OC4H9OPyCH3I)8、 ZnPc(OC6H13OPyCH3I)8和ZnPc(OC8H17OPyCH3I)8。并利用旋涂方法制备成阴极界面修饰层，以PTB7：PC71BM共混做为光活性层，制备成传统的正装OSCs器件，PCE最高达到8.73%。由于酞菁分子具有非常大的π共轭系统，容易聚集，导致形成的薄膜不是很平整。所以我们在ZnPc(OPyCH3I)8分子的八个位置引入不同长度的烷氧基链进而减弱分子间强的π-π相互作用，增加与疏水性光活性层的浸润性，期望在光活性层上形成质量良好的薄膜。我们利用原子力显微镜和接触角等测试仪器系统的研究了阴极界面修饰层的形貌，而且我们还对不同光活性层进行了普适性的研究。值得注意的是，当烷氧基链长度增加到八时，ZnPc(OC8H17OPyCH3I)8在乙醇溶剂中的溶解性非常好，并且ZnPc(OC8H17OPyCH3I)8利用乙醇作为溶剂旋涂成膜得到的器件，解决了保持光伏器件高效率的同时又能在光活性层上拥有良好的浸润性的问题，而且还对环境友好无毒无害。为开发高性能且绿色环保的阴极界面修饰材料提供了有帮助的信息。 【关键词】：有机太阳能电池 阴极界面修饰材料 卟啉 酞菁
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ25;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要5-8
• Abstract8-16
• 第一章 前言16-46
• 1.1 引言16-17
• 1.2 有机太阳能电池简介17-20
• 1.2.1 有机太阳能电池的发展历史17-19
• 1.2.2 有机太阳能电池的工作原理19-20
• 1.3 有机体异质结太阳能电池的发展近况20-24
• 1.4 有机体异质结太阳能电池的界面修饰材料24-35
• 1.4.1 有机体异质结太阳能电池阳极界面修饰材料24-25
• 1.4.2 可溶液加工的有机体异质结太阳能电池阴极界面修饰材料25-35
• 1.4.2.1 金属氧化物26-28
• 1.4.2.2 醇或水溶解性的聚合物28-32
• 1.4.2.3 醇或水溶解性的有机小分子32-35
• 1.5 卟啉分子简介35-40
• 1.6 酞菁分子简介40-42
• 1.7 研究思路、方法和成果42-46
• 1.7.1 研究思路42-43
• 1.7.2 研究方法43
• 1.7.3 研究成果43-46
• 第二章 四吡啶基卟啉衍生物的合成及作为有机太阳能电池阴极界面修饰材料的应用46-66
• 2.1 引言46-47
• 2.2 合成和性质表征部分47-63
• 2.2.1 合成所用药品和试剂47-48
• 2.2.2 测试仪器48
• 2.2.3 三种离子型卟啉化合物的合成48-51
• 2.2.4 光物理性质51-52
• 2.2.5 电化学性质52-54
• 2.2.6 器件制备和测试54-63
• 2.2.6.1 器件制备所需材料54
• 2.2.6.2 测试仪器54-55
• 2.2.6.3 器件制备过程55
• 2.2.6.4 器件性能55-63
• 2.3 本章小结63-66
• 第三章 β位置取代的酞菁锌衍生物的合成及作为有机太阳能电池阴极界面修饰材料的应用66-82
• 3.1 引言66
• 3.2 合成和性质表征部分66-79
• 3.2.1 合成所用药品和试剂66-67
• 3.2.2 测试仪器67
• 3.2.3 ZnPc[S(CH_2)_2N(CH_3)_3I]_8的合成67-69
• 3.2.4 光物理性质69-70
• 3.2.5 电化学性质70-71
• 3.2.6 器件制备和测试71-79
• 3.2.6.1 器件制备所需材料71-72
• 3.2.6.2 测试仪器72
• 3.2.6.3 器件制备过程72-73
• 3.2.6.4 器件性能73-79
• 3.3 本章小结79-82
• 第四章 β位置取代的酞菁氧钒衍生物的合成及作为有机太阳能电池阴极界面修饰材料的应用82-100
• 4.1 引言82-83
• 4.2 合成和性质表征部分83-98
• 4.2.1 合成所用药品和试剂83
• 4.2.2 测试仪器83
• 4.2.3 三种离子型酞菁氧钒化合物的合成83-85
• 4.2.4 光物理性质85-87
• 4.2.5 电化学性质87-88
• 4.2.6 器件制备和测试88-98
• 4.2.6.1 器件制备所需材料88-89
• 4.2.6.2 测试仪器89
• 4.2.6.3 器件制备过程89-90
• 4.2.6.4 器件性能90-98
• 4.3 本章小结98-100
• 第五章 位置取代的离子型酞菁锌衍生物的合成及作为有机太阳能电池阴极界面修饰材料的应用100-124
• 5.1 引言100
• 5.2 合成和性质表征部分100-122
• 5.2.1 合成所用药品和试剂100-101
• 5.2.2 测试仪器101
• 5.2.3 三种离子型酞菁锌化合物的合成101-106
• 5.2.4 光物理性质106-107
• 5.2.5 电化学性质107-109
• 5.2.6 器件制备和测试109-122
• 5.2.6.1 器件制备所需材料109
• 5.2.6.2 测试仪器109-110
• 5.2.6.3 器件制备过程110-111
• 5.2.6.4 器件性能111-122
• 5.3 本章小结122-124
• 第六章 结论124-128
• 参考文献128-138
• 作者简介与学术成果138-140
• 致谢140-141

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

Synthesis and Photovoltaic Properties of Poly(5,6-bis(octyloxy)-4,7- di(thiophen-2-yl)benzo-[c][1,2,5]-thiadiazole-9,9-dioctylfuorene)    Liwei Wang;Feiyao Qing;Yeping Sun;Xiaoyu Li;Haiqiao Wang;

1,4-二酮吡咯并吡咯在聚合物太阳能电池的应用    王亮;孙建平;李针英;周小波;王茜;罗联源;凌启淡;

量子点-聚合物纳米复合材料的研究进展    骆乐;向卫东;谢翠萍;钟家松;梁晓娟;邹军;吕春燕;

嵌段共聚物在有机太阳能电池中的应用    叶妮雅;张梁;宫希杰;李晓芳;李海英;雷良才;

基于氟代喹喔啉的共轭聚合物及其光伏性能    刘迅成;蔡平;陈军武;曹镛;

NPB修饰层提升聚合物太阳电池的性能    申智利;李海蓉;刘肃;蒲年年;马国富;

苯并三氮唑与噻吩交替共聚物的合成及性能研究    古丽巴哈尔·达吾提;司马义·努尔拉;

苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子光伏材料合成与性能研究    王丽辉;殷伦祥;张昱;李艳芹;

以醇溶性钛螯合物为阴极修饰层的高效聚合物太阳能电池    王福芝;孙刚;谭占鳌;

八羟基喹啉铝取代钙作为电子传输层对聚合物太阳电池光稳定性的影响    贺小光;王宁;田苗苗;

通过界面修饰改善聚合物太阳能电池性能的研究    刘晓东

喷涂法制备聚合物太阳能电池器件研究    陈征

磷光敏化荧光的白色有机电致发光器件的研究    孟令川

基于电极界面层调控实现电池高效聚合物太阳池的研究    何志才

一维壳核式复合半导体杂化敏化太阳能电池的研究    孙宝

ZnO微纳结构制备及光学性能研究    梁志强

含烷基三唑基团的新型共轭聚合物给体材料的设计和合成及其在太阳电池中的应用    董杨

聚合物光伏器件形貌特性、性能及稳定性研究    陆运章

含咔唑和三苯胺单元席夫碱类发光材料的合成及其性能    谢玉忠

基于新型咔唑结构共聚物的设计合成及其光伏性能研究    查代君

基于BDT单体的共轭聚合物的合成及性能研究    孙丽丽

活性层修饰对P3HT：PCBM基聚合物太阳能电池性能的影响    韩凌洁

新型酞菁类光伏材料的合成及性能研究    黄红艳

喹噁啉基新型功能聚合物/齐聚物电池材料的合成与性能    王晓辉

基于小分子材料为电极界面修饰层的聚合物太阳电池    迟明明

电极修饰对rubrene/C_(70)有机太阳电池性能的改善    詹真

基于传输矩阵法的有机太阳能电池的光学计算研究    曹婧

有机太阳能电池器件的制备及优化    江培

溶液法制备聚合物太阳能电池阳极界面层的研究    翟志淳

液晶小分子掺杂ZnO纳米晶及PEDOT：PSS用于聚合物太阳能电池形貌调控及性能研究    李秋娟

网印有机太阳能电池    李锋

有机太阳能电池材料的研究进展    段晓菲,王金亮,毛景,裴坚

有机太阳能电池研究进展    任斌;赖树明;陈卫;黄河;

高效有机太阳能电池    钱伯章;

科学家有望开发出低成本性能卓越的有机太阳能电池    周洪英;

最轻薄有机太阳能电池问世    

最薄最轻的有机太阳能电池    钱伯章;

德国企业创立了有机太阳能电池效率世界新高    

有机太阳能电池材料与器件的研究进展    贺素姣;

有机太阳能电池材料近期进展(上)    刘佩华,田禾

可溶性小分子有机太阳能电池    范斌;田清勇;白华;

可挠式有机太阳能电池之发展技术    陳隆建;陳正強;李宜璇;

卟啉、酞菁类有机太阳能电池材料的研究进展    刘艳;曾庆华;张宪玺;姜建壮;

基于碳纳米管纤维的有机太阳能电池    陈涛;仰志斌;彭慧胜;

基于取向碳纳米管膜的柔性有机太阳能电池    仰志斌;陈涛;何瑞旋;彭慧胜;

化学改性氧化石墨烯作为有机太阳能电池空穴传输层    张坚;杨栋;周玲玉;陈令成;赵斌;李灿;

有机太阳能电池中的相干电荷和能量转移    赵仪;

有机太阳能电池用的二维窄带隙聚合物研究    唐卫华;海杰峰;朱恩伟;卞临沂;

有机太阳能电池电子过程的理论模拟    易院平;韩广超;沈星星;

柔性及叠层薄膜有机太阳能电池研究    马廷丽;

德支持企业开发有机太阳能电池    记者 顾钢

美评估有机太阳能电池对环境的影响    记者 毛黎

突破有机太阳能电池技术瓶颈    本报驻美国记者 田学科

控制电子自旋可提高有机太阳能电池的效率    刘霞

叠层型有机太阳能电池接近商用    记者 邰举

美国研发可拉伸有机太阳能电池    蔡佳

小分子有机太阳能电池增效50%    华凌

2007年世界科技发展回顾(七)    本版编辑张浩 郑晓春 邓国庆 毛黎 何屹 顾钢 何永晋

青海有机太阳能电池研发获重大进展    记者 马悍德

青海有机太阳能电池研发取得重大进展    记者 贾明

高效稳定的有机太阳能电池的界面研究    许美凤

几种有机太阳能电池供体材料的光伏性能    刘小锐

电沉积制备聚噻吩有序微结构及有机太阳能电池    于伟利

基于聚合物的有机太阳能电池的研制与表征    乔芬

有机太阳能电池中的光物理过程研究    陈向东

有机太阳能电池电学模型与数值研究    马朝柱

有机太阳能电池界面过程的研究    陈丽佳

可溶性小分子方酸菁有机太阳能电池的制备及其性能研究    杨倩倩

有机太阳能电池的电荷转移态等效电路和多重电荷分离界面研究    黄江

有机太阳能电池结构设计与性能改善研究    晋芳铭

有机太阳能电池中电极修饰的研究    史绍华

有机太阳能电池中光电流—温度特性的研究    蔡伦

有机太阳能电池D-A型供受体材料的理论研究    付智勇

利用飞秒瞬态时间分辨率吸收光谱对有机太阳能电池的光电转化机理研究    蔡佳林

含苝二酰亚胺(PDIs)单元的有机半导体材料的合成、表征及其应用    李盼盼

PIN型有机太阳能电池光学特性的数值模拟    张旋

有机太阳能电池中光诱导电荷转移的理论研究    丰艳婷

富勒烯二加成衍生物的核磁共振波谱研究    万瑛博

有机太阳能电池/有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池的模拟    徐晓娟

基于聚噻吩及富勒烯衍生物材料有机太阳能电池光电性能研究    李萌