聚合物太阳能电池的性能优化及D-A-D型苯并噻二唑衍生物光伏材料的合成与性能研究

【摘要】：有机/聚合物太阳能电池具有成本低、易加工、可弯曲和高的能量转换效率等优点，近年来越来越受研究者的关注。本论文详细介绍了有机太阳能电池的工作原理与发展现状。针对有机/聚合物太阳能电池存在的问题，本论文从聚合物太阳能电池的器件工艺和给体材料的分子结构着手，展开了基于侧链型苯并二噻吩-噻吩共聚物的聚合物太阳能电池的性能优化，以及D-π-A-π-D有机小分子光伏给体材料的合成与性能研究。主要研究结果如下： (1)聚合物太阳能电池的性能优化：以课题组合成的侧链型苯并二噻吩-噻吩共聚物(PBDT-TDPP)为给体材料，富勒烯衍生物为受体材料，构建了结构为ITO/PEDOT:PSS/Active Layer/Interface Modification Layer/Al的聚合物太阳能电池。着重考察了受体材料的类型、溶剂、活性层厚度、退火条件，以及有机界面修饰层等因素对聚合物太阳能电池的器件性能影响，在AM1.5(100mW/cm~2)模拟太阳光照射下，优化得到了能量转换效率(PCE)高达6.98%的高性能聚合物太阳能电池。 (2) D-π-A-π-D有机小分子光伏给体材料的合成与性能研究：以苯并噻二唑(BT)为受体(Acceptor)单元，芴衍生物为给体(Donor)单元，噻吩为π桥，设计合成了一类D-π-A-π-D型苯并噻二唑衍生物有机小分子光伏材料，并通过核磁共振氢谱和飞行时间质谱表征了其分子结构；研究了这类D-π-A-π-D型苯并噻二唑衍生物的紫外吸收、光致发光、热稳定、液晶、电化学、空穴迁移率等性能。以这类D-π-A-π-D型苯并噻二唑衍生物为有机太阳能电池的给体材料，以PC61BM为受体材料，制作了一系列本体异质结(BHJ)有机太阳能电池器件，探讨了材料的液晶性能及烷基链的长度对器件光伏性能的影响。当给体材料为4,7-二(5-(9,9-二甲基-2-辛基)-2-芴基)苯并噻二唑[(C8Fl-Th)2BT]时，器件的最高PCE值为0.96%。在此基础上，当受体材料替换为PC71BM时，在AM1.5(100mW/cm~2)模拟太阳光照射下，器件的PCE上升到1.92%，开路电压(Voc)高达0.92V。有趣的是：具有液晶性能的（C8Fl-Th)2BT不仅显示了良好的热稳定性和较好的空穴迁移率，而且显示了最好的光伏性能。 【关键词】：有机太阳能电池 聚合物太阳能电池 苯并噻二唑 苯并二噻吩 液晶
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O631.3;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 聚合物太阳能电池简介10-14
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的工作原理10-11
• 1.2.2 聚合物太阳能电池常见的器件结构11-13
• 1.2.3 聚合物太阳能电池制备及性能测试13-14
• 1.3 聚合物太阳能电池的性能表征14-16
• 1.3.1 聚合物太阳能电池电流-电压曲线14-15
• 1.3.2 聚合物太阳电池的效率15-16
• 1.4 影响本体异质结聚合物太阳能电池效率的主要因素16-17
• 1.5 常见聚合物太阳能电池光活性层材料17-19
• 1.5.1 常见聚合物给体材料18-19
• 1.5.2 聚合物太阳能电池中的受体材料19
• 1.6 本文的设计思想19-21
• 第2章 聚合物太阳能电池性能优化21-33
• 2.1 引言21-22
• 2.2 实验试剂及仪器22-24
• 2.2.1 实验仪器22-23
• 2.2.2 实验原料及试剂23-24
• 2.3 聚合物太阳能电池性能的优化24-31
• 2.3.1 给受体比例及受体类型对器件性能的影响24-25
• 2.3.2 光活性层退火温度及退火时间对器件性能的影响25-27
• 2.3.3 溶剂及添加剂对器件性能的影响27-28
• 2.3.4 活性层厚度对器件性能的影响28-29
• 2.3.5 有机界面修饰层对器件性能的影响29-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第3章 基于 D-A-D 结构光伏小分子的合成及性能研究33-49
• 3.1 引言33-34
• 3.2 实验部分34-39
• 3.2.1 原料与试剂34-35
• 3.2.2 实验仪器及测试条件35-36
• 3.2.3 实验合成路线36
• 3.2.4 中间体和目标小分子的合成36-39
• 3.3 结果与讨论39-48
• 3.3.1 D-π-A-π-D 型(CxFl-Th)_2BT 的合成39
• 3.3.2 (CxFl-Th)_2BT 的热性能及液晶性能39-42
• 3.3.3 (CxFl-Th)_2BT 的光物理性能42-43
• 3.3.4 (CxFl-Th)_2BT 的电化学性能43-44
• 3.3.5 (CxFl-Th)_2BT 的光伏性能44-48
• 3.4 本章小结48-49
• 总结与展望49-50
• 参考文献50-55
• 致谢55-56
• 攻读硕士学位期间发表论文情况56-57
• 附录57-62

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