二分体富勒烯衍生物的超分子诱导效应及其在体异质结太阳能电池中的应用

【摘要】：本论文设计合成了一系列含长烷氧基链的富勒烯受体材料，研究含双疏水性基团(C60和含长烷氧基链的三烷氧基苯)的二分体富勒烯衍生物的超分子诱导效应以及对有机太阳能电池表面形貌及器件效率的影响，主要内容及结论如下： 1.合成了尾链为辛基的三烷氧基苯富勒烯衍生物PCBB-C8。在与P3HT共混旋涂过程中，PCBB-C8通过超分子自组装可以提供P3HT链段伸展运动的自由区域，从而在未经任何后处理的条件下有效地诱导P3HT结晶，构筑长程有序、纳米尺度相分离、具有连续传输通道的理想活性层形貌。在使用与P3HT/PCBM相同的器件制备条件时，P3HT/PCBB-C8在未退火条件下得到了与经热退火处理的PCBM/P3HT相似的Jsc，最终获得2.4%的优异光电转换效率。 2.为了细致研究不同尾链长度三烷氧基苯富勒烯衍生物对超分子诱导效应、共混膜形貌及光伏性能的影响，我们合成了一系列含不同长度烷氧基链的三烷氧基苯富勒烯衍生物PCBB-Cn (n=4,6,8,10,12)。研究发现，该系列富勒烯衍生物具有类似的热力学和电化学性质，并且当其与P3HT共混涂膜过程中，均能够通过富勒烯衍生物的超分子诱导作用力实现对P3HT的诱导结晶，从而获得具有双连续传输通道的理想活性层形貌。同时，我们研究了该系列富勒烯衍生物的超分子诱导效应、P3HT的结晶尺寸、共混膜形貌及器件性能之间的关系：烷氧基链较短时(n=4,6)，P3HT/PCBB-Cn共混膜中P3HT的结晶较弱，共混膜较平整，器件性能较差；当烷氧基链长度提高到辛基时，P3HT的结晶强度显著增强，短路电流达到最高，器件性能最佳；进一步提高烷氧基链的长度(n=10,12)，P3HT依旧保持较高的结晶度，器件性能出现衰退。 3.基于含氟基团具有较强的吸电子能力，较强的刚性，将含氟基团引入到富勒烯化合物中，可以有效调节富勒烯衍生物的电化学性质，增强分子间的相互作用，我们合成了含不同个数氟原子的富勒烯衍生物nF-PCBB-C8(n=1,3,5)，研究氟原子的引入对富勒烯衍生物的性质、共混膜形貌及光伏性能的影响。电化学结果表明，氟原子的引入降低了富勒烯衍生物的LUMO能级；紫外可见吸收，二维X射线散射等测试结果表明nF-PCBB-C8依然具有诱导P3HT结晶的性质；通过原子力显微镜及光学显微镜研究表明P3HT/nF-PCBB-C8共混膜表面出现明显的聚集态，无法形成有助于激子解离传输的纳米尺度的相分离形貌，最终器件表现出较差的光伏性能。 【关键词】：体异质结太阳能电池 长烷氧基链 富勒烯受体材料 超分子诱导效应 理想活性层形貌
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O613.71
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 ：文献综述11-31
• 1.1 引言11
• 1.2 有机太阳能电池的结构11-13
• 1.3 体异质结太阳能电池的工作机理13
• 1.4 体异质结太阳能电池的表征参数13-15
• 1.4.1 开路电压13-14
• 1.4.2 短路电流14
• 1.4.3 填充因子14-15
• 1.5 有机太阳能电池材料15-21
• 1.5.1 给体材料15-16
• 1.5.2 受体材料16-21
• 1.6 活性层形貌的控制21-29
• 1.6.1 不同溶剂的选择22-23
• 1.6.2 添加剂23-25
• 1.6.3 器件后处理25-28
• 1.6.4 活性层分子结构的修饰28-29
• 1.7 本论文的提出和研究内容29-31
• 第二章 尾链为辛基的三烷氧基苯富勒烯衍生物的合成，表征及其光伏性能的研究2131-48
• 2.1 引言31
• 2.2 材料的合成31-35
• 2.2.1 化学试剂31-32
• 2.2.2 仪器及测试条件32-33
• 2.2.3 材料的合成33-35
• 2.3 结果与讨论35-46
• 2.3.1 富勒烯衍生物的合成与结构表征35-36
• 2.3.2 富勒烯衍生物的热力学性质36-37
• 2.3.3 富勒烯衍生物的光物理性质研究37-39
• 2.3.4 富勒烯化合物的电化学性质39-40
• 2.3.5 活性层形貌研究40-44
• 2.3.6 光伏性能44-46
• 2.4 章节小结46-48
• 第三章 不同尾链长度三烷氧基苯富勒烯衍生物的合成，表征及其光伏性能的研究3848-65
• 3.1 引言48
• 3.2 材料的合成48-52
• 3.2.1 化学试剂48-49
• 3.2.2 仪器及测试条件49-50
• 3.2.3 材料的合成50-52
• 3.3 结果与讨论52-64
• 3.3.1 PCBB-Cn 的合成与结构表征52
• 3.3.2 PCBB-Cn 的热学性质52-54
• 3.3.3 富勒烯衍生物的光物理性质研究54-56
• 3.3.4 富勒烯衍生物的电化学性质56-58
• 3.3.5 活性层形貌研究58-61
• 3.3.6 光伏性能61-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第四章 含不同个数氟原子的富勒烯衍生物的合成表征及其在太阳能电池中的应用5565-80
• 4.1 引言65
• 4.2 材料的合成65-70
• 4.2.1 化学试剂65-66
• 4.2.2 仪器及测试条件66-67
• 4.2.3 材料的合成67-70
• 4.3 结果与讨论70-78
• 4.3.1 含氟富勒烯衍生物的合成与结构表征70-71
• 4.3.2 含氟富勒烯衍生物的热力学性质71-72
• 4.3.3 含氟富勒烯衍生物的光物理性质研究72-73
• 4.3.4 含氟富勒烯衍生物的电化学性质73-74
• 4.3.5 共混膜 P3HT 结晶及形貌的研究74-76
• 4.3.6 光伏性能76-77
• 4.3.7 活性层表面形貌研究77-78
• 4.4 本章小结78-80
• 第五章 总结与展望80-82
• 5.1 全文总结80-81
• 5.2 问题与展望81-82
• 参考文献82-89
• 攻读硕士期间发表的论文89-90
• 附录90-92
• 致谢92-93

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