小分子太阳能电池给体材料的合成及其高性能光伏应用的研究

【摘要】：本论文介绍了一系列小分子太阳能电池给体材料的设计、合成以及其光伏性能,系统的研究了从结构设计到最终器件性能表现这两者的相关性,并基于研究结果总结了结构-性能之间构效关系。本文工作主要分为以下两个部分:第一部分,设计合成了一系列基于吡咯并吡咯二酮(DPP)作为强缺电子核心单元(Acceptor,A1),苯并噻二唑(BT)或氟代苯并噻二唑(FBT)作为弱缺电子单元(A2),引达省(IDT)作为富电子单元(Donor,D1),正己基连结的联二噻吩作为封端单元(D2)的窄带隙小分子,构建了D2-A2-D1-A1-D1-A2-D2型π-共轭骨架结构。通过在苯并噻二唑上引入氟原子以及对混合膜的溶剂蒸汽退火处理,发现氟原子的引入以及退火处理显著提高了材料(DPPBIT4F)的填充因子(甚至达到FF=71%)和光电转换效率(PCE);为了进一步研究结构设计对最终器件性能影响,我们在引达省两端插入噻吩环,将DPP单元的噻吩替换为更缺电子的噻唑。结果发现在IDT两端插入噻吩桥显著提高了分子骨架的平面性,增强了溶液中400-600 nm光谱之间的摩尔吸光系数,使器件短路电流(Jsc)及填充因子均得到明显提高,同时将DPP中噻吩替换为噻唑又提高了器件的开路电压(Voc)。为了更深入的研究纳米尺度分子堆积、晶域以及薄膜形貌对器件性能的影响,我们对活性层进行了溶剂蒸汽退火处理。溶剂蒸汽退火处理进一步改善了器件活性层薄膜形貌,提高了空穴迁移率(μh)使电子/空穴迁移得到平衡,最终得到基于NDPPFBT为给体的器件PCE达到7.00%(填充因子和开路电压分别高达0.73和0.89 V),使基于DPP的小分子成为一类新的具有高光伏性能的有机太阳能电池给体材料。第二部分,我们致力于研究延长π-共轭骨架长度和增加分子中氟原子个数对器件光伏性能的影响。我们设计并合成了一系列基于氟代苯并噻二唑(FBT)作为缺电子单元(Acceptor,A),引达省(IDT)作为富电子单元(Donor,D1),正己基连结的联二噻吩作为封端单元(D2)的小分子及聚合物,构建了D2-A-(T-D-T-A)n-D2型(其中T代表噻吩;小分子中n=1,2,3,4;聚合物中n≈12)扩展π-共轭骨架结构。随着共轭链长度的扩展,逐步提高了溶液中分子的摩尔吸光系数并使薄膜状态下的分子紫外光谱的0-0振动峰显著提高,这表明π-共轭骨架的延长增强了薄膜中分子之间的π-π堆积,特别是聚合物表现最明显。然而EQE测试发现共轭链的延长致使分子在450-650 nm范围的内量子效率呈现下降的趋势,同时由于聚集效应较强致使薄膜形貌较差,聚合物分子的短路电流密度和PCE值均较低。而令人吃惊的是BIT-6F-T不管是否经过退火处理,其短路电流密度、填充因子和PCE值都较大,特别是热退火和蒸汽退火处理后其填充因子达到0.75,光电转换效率也高达8.66%,这是目前基于IDT的有机太阳能电池给体材料里效率最高的分子。总之,我们成功开发出一系列具有优异光伏性能的有机小分子太阳能电池给体材料。通过分子结构设计来研究其对器件光伏性能的影响,应用溶剂蒸汽退火处理进一步深入揭示微观尺度下分子堆积、晶域尺寸及薄膜形貌的优化对提高光电转换效率的关系,对以后的给体材料的设计研究具有重要的指导性意义。 【关键词】：小分子 有机太阳能电池 吡咯并吡咯二酮 苯并噻二唑 引达省 溶剂蒸汽退火 光电转换效率
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4;O626
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-33
• 1.1 引言12
• 1.2 有机太阳能电池的工作原理和性能参数12-18
• 1.2.1 有机太阳能电池的结构12-15
• 1.2.2 有机太阳能电池的工作原理15-16
• 1.2.3 光伏性能参数16-18
• 1.3 可溶液加工的小分子有机太阳能电池给体材料的研究现状及设计策略18-25
• 1.3.1 可溶液加工的小分子有机太阳能电池给体材料研究现状18-21
• 1.3.2 烷基链修饰21-23
• 1.3.3 氟原子取代的影响23-24
• 1.3.4 二维共轭的影响24-25
• 1.4 溶剂退火和热退火处理以及添加剂对器件的优化25-26
• 1.4.1 溶剂退火处理25
• 1.4.2 热退火处理25
• 1.4.3 添加剂的影响25-26
• 1.6 本论文的设计思想和研究内容26-27
• 1.7 参考文献27-33
• 第二章 基于吡咯并吡咯二酮衍生物的有机小分子给体材料的设计合成及光伏性能的研究33-52
• 2.1 引言33-35
• 2.2 实验部分35-43
• 2.2.1 原料与试剂35-36
• 2.2.2 化合物表征所用的仪器36
• 2.2.3 化合物的合成和表征数据36-43
• 2.3 结果与讨论43-48
• 2.3.1 噻吩桥的插入和DPP中噻吩替换为噻唑对光物理性质的影响43-44
• 2.3.2 结构修饰对电化学性质的影响44-45
• 2.3.3 材料的热稳定性45-46
• 2.3.4 溶剂蒸汽退火处理对器件的光伏性能的影响46-48
• 2.4 本章小结48-49
• 2.5 参考文献49-52
• 第三章 多氟原子取代的单分散D‐A型寡聚物给体材料的设计合成及光伏性能研究52-71
• 3.1 引言52-53
• 3.2 实验部分53-60
• 3.2.1 原料与试剂53-54
• 3.2.2 化合物表征所用的仪器54-55
• 3.2.3 化合物的合成和表征数据55-60
• 3.3 结果与讨论60-68
• 3.3.1 材料的热稳定性60-61
• 3.3.2 光物理性质61-62
• 3.3.3 电化学性质62-63
• 3.3.4 器件的光伏性能63-68
• 3.4 本章小结68
• 3.5 参考文献68-71
• 第四章 总结和展望71-73
• 4.1 总结和展望71-72
• 4.2 参考文献72-73
• 附录 本文所涉及新化合物的谱图73-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文84-85
• 致谢85-86

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