可溶液加工D-A型有机小分子太阳能电池给体材料合成及其光伏性能研究

【摘要】：随着煤、石油等传统能源的日益消耗，寻找新型、无污染的环境友好型的可再生能源已成为一个世界性的课题，太阳能由于具有无污染，取之不尽等自身的优点而受到人类的关注和开发利用。有机太阳能电池由于制备工艺简单、廉价、易于大面积制备及柔性等优点，而成为世界范围内的研究热点。有机体异质结太阳能电池根据活性层中给体材料的不同又可分为聚合物太阳能电池和小分子太阳能电池。文献报道的聚合物体异质结太阳能电池的最高光电转换效率已达9.2%，有机小分子体异质结太阳能电池的最高光电转换效率亦已达到8.12%。小分子太阳能电池与聚合物太阳电池相比：具有分子易于设计修饰、提纯方便、分子结构明确、合成重复性好、分子量确定等优点，而备受关注。 本文是根据给体-受体（D-A）的设计思路，合成了一系列有机小分子给体材料并对其光伏性能进行了研究。 在第二章中，我们将硫靛引入到小分子体系中。硫靛是用噻吩取代异靛外侧的苯环。噻吩环比苯环显示更强的给电子性，而且基于硫靛的共轭聚合物的光吸收可以延伸到更长波长，我们合成了含硫靛的小分子TIDO2T在薄膜中的吸收可拓宽至871nm。结果表明，与异靛相比，基于硫靛的小分子吸收光谱可以扩展到近红外（NIR）。TIDO2T的光学带隙为1.42eV，HOMO能级为-4.87eV，LUMO能级为-3.45eV。基于TIDO2T的有机太阳能电池显示出1.14％的光电转换效率（PCE），0.44V的开路电压（Voc），7.76mA/cm2的短路电流（Jsc）和33％的填充因子（FF）。这是首次将硫靛成功地应用到可溶液加工的有机太阳能电池中。 在第三章中，我们将并噻唑和苯并噻二唑两种受体通过噻吩π-电桥连接，合成了含双受体的小分子DTTz-DTBTT。该小分子具有良好的热稳定性，优良的溶解性和成膜性。DTTz-DTBTT的光学带隙为1.65eV，HOMO能级为-5.05eV，LUMO能级为-3.07eV。基于DTTz-DTBTT和PC61BM的有机太阳能电池得到0.66V的Voc，5.11mA/cm2的Jsc，和48%的FF，1.64％的PCE。测试结果表明，基于两种不同受体的小分子对于给体材料的设计是一种有效的策略。 在第四章中，通过引入二维苯并二噻吩单元，进一步降低了小分子的带宽，有利于获得高的短路电流和开路电压。引入强吸电子的氰基乙酸辛酯和电子受体苯并三氮唑单元，有效地调节了分子的HOMO和LUMO能级，相应的HOMO和LUMO能级分别为-5.13eV和-3.31eV，使得小分子与PC61BM的能级匹配更理想。采用简单旋涂法制造工艺，基于D(CATBTzT)BDT:PC61BM的有机太阳能电池得到3.61％的PCE与0.93V的高开路电压；该太阳能电池也可以显示高达72％的FF。 在第五章中，我们通过Stille偶合反应合成了两种窄带隙的有机小分子DRTBTTBDT和DRTBTTBDTT，其光学带隙的分别是1.80eV和1.81eV。相应的HOMO能级分别为-5.09eV和-5.13eV， LUMO能级分别为-3.28eV和-3.33eV。二维苯并二噻吩的引入，有效地调节了HOMO、LUMO能级，降低了材料的能级，获得了比较高的开路电压。通过对材料体系的微调，可以改善电流或是电压，但获得的小分子在与PC61BM共混的器件整体的光电转换效率偏低。DRTBTTBDT最优化光电转换效率PCE为1.01%，开路电压（Voc）为0.70V，短路电流为4.15mA/cm2（Jsc）和填充因子（FF）35％。退火温度100℃时，DRTBTTBDT和DRTBTTBDTT得到最大的迁移率值分别为0.004和0.016cm2/Vs，二维的小分子表现出了比较高的迁移率。 【关键词】：小分子 有机太阳能电池 溶液加工 给体-受体 苯并二噻吩
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11
• 1.2 有机太阳能电池的基本原理、性能参数11-14
• 1.2.1 有机太阳能电池的基本原理11-13
• 1.2.2 有机太阳能电池的性能参数13-14
• 1.3 可溶液加工的有机小分子太阳能电池给体材料的研究进展14-21
• 1.3.1 寡聚噻吩类14-16
• 1.3.2 三苯胺类16-18
• 1.3.3 吡咯并吡咯二酮类（DPP）18-19
• 1.3.4 苯并二噻吩类（BDT）19-20
• 1.3.5 其他杂环类20-21
• 1.4 研究内容和创新之处21-23
• 第二章 基于硫靛有机小分子太阳能电池的合成及性能研究23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 实验部分23-27
• 2.2.1 原料与试剂23-24
• 2.2.2 材料表征的设备与仪器24
• 2.2.3 单体及小分子的合成24-27
• 2.3 结果与讨论27-32
• 2.3.1 目标产物的合成与表征27-28
• 2.3.2 小分子的紫外吸收特性28-29
• 2.3.3 小分子的电化学特性29-30
• 2.3.4 小分子的光伏性能30-32
• 2.3.5 小分子的形貌32
• 2.4 本章小结32-35
• 第三章 基于并噻唑的有机小分子的合成及性能研究35-45
• 3.1 引言35
• 3.2 实验部分35-39
• 3.2.1 原料与试剂35-36
• 3.2.2 材料表征的设备与仪器36
• 3.2.3 单体及小分子的合成36-39
• 3.3 结果与讨论39-44
• 3.3.1 目标产物的合成与表征39
• 3.3.2 小分子的热学性质分析39-40
• 3.3.3 小分子的光学性质40
• 3.3.4 小分子的电化学性质40-41
• 3.3.5 小分子的光伏性能41-43
• 3.3.6 小分子的形貌43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 基于苯并二噻吩和苯并三氮唑的有机小分子的合成及性能研究45-59
• 4.1 引言45-47
• 4.2 实验部分47-50
• 4.2.1 原料与试剂47
• 4.2.2 材料表征的设备与仪器47-48
• 4.2.3 单体及小分子的合成48-50
• 4.3 结果与讨论50-57
• 4.3.1 目标产物的合成与表征50-51
• 4.3.2 小分子的热学性质分析51-52
• 4.3.3 小分子的光学性质52-53
• 4.3.4 小分子的电化学性质53-54
• 4.3.5 小分子 D(CATBTzT)BDT 的理论计算研究54
• 4.3.6 小分子的光伏性能研究54-57
• 4.3.7 小分子的形貌研究57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 基于苯并二噻吩一维和二维有机小分子的合成及性能研究59-73
• 5.1 引言59-60
• 5.2 实验部分60-64
• 5.2.1 原料与试剂60
• 5.2.2 材料表征的设备与仪器60
• 5.2.3 单体及小分子的合成60-64
• 5.3 结果与讨论64-71
• 5.3.1 目标产物的合成与表征64
• 5.3.2 小分子的光学性质64-66
• 5.3.3 小分子的电化学性质66
• 5.3.4 小分子场效应晶体管（OFET）性质66-70
• 5.3.5 小分子的光伏性能研究70-71
• 5.4 本章小结71-73
• 结论73-75
• 参考文献75-83
• 致谢83-85
• 个人简历85
• 发表的学术论文85-86

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