新型有机光伏小分子的合成及器件性能的研究

【摘要】：溶液可加工的体相异质结太阳能电池因为具有制备工艺简单、来源广泛、重量轻、柔性可折叠等优点而引起人们越来越多的关注，成为近几年光伏产业的研究重点，很有希望在将来取代无机硅太阳能电池。本文综述总结溶液可加工的有机小分子体异质结太阳能电池的原理、结构和发展现状。同时设计合成了二个溶液可加工的新型有机小分子受体，我们研究了分子结构与纳米结构的关系；合成了四个小分子给体材料，我们通过改变小分子末端基团，构筑新型给受体共轭小分子等方法成功实现了对给体材料带隙、能级、表面形貌、迁移率以及器件性能的调节。具体可分为三部分： 1.在小分子受体方面，首先合成了两个基于内酰亚胺（NDI）单元，通过噻吩和苯并噻二吩桥连的新型受体小分子Bis-NDI-T-EG和Bis-NDI-BDT-EG。紫外吸收和电化学测试表明两分子在500~800nm处显现出微弱的有吸收，其HOMO和LUMO能级分别为-5.88/-3.80eV，-5.46/-3.78eV。综合两分子的吸收及能级，我们分别选取了聚合物（PBDTTT-C-T和PTB7）和小分子（p-DTS(FBTTh2)2和BDT-DPP）作给体，制备了非富勒烯有机太阳能电池。在一系列的优化后，我们发现当PBDTTT-C-T做给体时，两小分子Bis-NDI-T-EG和Bis-NDI-BDT-EG得到最高效率，分别为1.31%，1.24%。 2.通过Stille偶联方法合成了基于三苯胺（TPA）的小分子给受体TPA(2TPHM)3，将给体材料与PC71BM共混(1:4,w/w)制备的光伏器件，分别在未退火，90℃和100℃热退火下得到器件转化效率分别为：1.33%，1.56%，1.75%，其中在100℃下退火10min后得到的最佳器件光伏性能为：4.99mA/cm2的短路电流，0.87V的开路电压，40%的填充因子和1.75%的光电转化效率。 3.我们选取BDT-DPP-BDT为骨架，在其末端分别引入CNR和HTT单元，进而得到小分子给体材料BDB, CNRBDB, HTTBDB。结果我们发现，在骨架BDB上引入积性，平面性的吸电子基团CNR，增大了分子的空穴迁移率，与PC71BM混合制备电池，填充因子FF也有27%增大到57%，PC71BM的相尺寸由70nm减小到20nm。当在BDB骨架引入平面性较差的给电子基团HTT，活性层给受体相尺寸都减小到20nm，电流由4.22增大到9.66mA/cm2，填充因子FF增高到46%。总之，本工作揭示了基于DPP的末端基团对于调控相尺寸和光电性质的重要性，对推动有机光电材料应用开发具有理论意义和现实价值。 【关键词】：有机太阳能电池 器件性能 三苯胺 末端基团 结构性能关系
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O621.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-22
• 1.1 引言8-9
• 1.2 有机太阳能电池的研究进展9-13
• 1.2.1 有机太阳能电池的基本原理9-10
• 1.2.2 光伏性能参数10-12
• 1.2.3 有机光伏器件的类型12-13
• 1.3 有机小分子给体的研究进程13-21
• 1.3.1 材料设计原则与策略13-14
• 1.3.2 小分子给体材料14-19
• 1.3.3 非富勒烯受体材料研究进展19-21
• 1.4 本文选题思路21-22
• 第二章 基于萘酰亚胺的非富勒烯小分子受体太阳能电池22-36
• 2.1 引言22-23
• 2.2 实验部分23-26
• 2.2.1 原材料的来源23-24
• 2.2.2 测试仪器以及条件24
• 2.2.3 材料的合成24-25
• 2.2.4 太阳能电池器件的制备25-26
• 2.3 结果与讨论26-35
• 2.3.1 受体小分子的光谱性质26-27
• 2.3.2 给体材料的电化学性质27-29
• 2.3.3 分子模拟29
• 2.3.4 热失重测试29-30
• 2.3.5 器件的光伏性质30-32
• 2.3.6 活性层的表面形貌32-33
• 2.3.7 载流子迁移率的测定33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 新型的三苯胺类的给受体小分子36-37
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验部分37
• 3.2.1 原材料的来源37
• 3.2.2 测试仪器以及条件37
• 3.2.3 材料的合成37-38
• 3.2.4 太阳能电池器件的制备38-39
• 3.3 结果与讨论39
• 3.3.1 受体小分子的光谱性质39
• 3.3.2 给体材料的电化学性质39-40
• 3.3.3 热失重测试40-41
• 3.3.4 器件的光伏性质41-44
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 通过末端基团来调控分子的光伏性质44-58
• 4.1 引言44-45
• 4.2 实验部分45-47
• 4.2.1 试剂来源及处理45
• 4.2.2 测试仪器以及条件45
• 4.2.3 材料的合成45-47
• 4.2.4 太阳能电池器件的制备47
• 4.3 结果与讨论47-56
• 4.3.1 给体小分子的光谱性质47-49
• 4.3.2 给体材料的电化学性质49
• 4.3.3 分子模拟49-50
• 4.3.4 热失重测试50-51
• 4.3.5 器件的光伏性质51-54
• 4.3.6 活性层的表面形貌54-55
• 4.3.7 载流子迁移率的测定55-56
• 4.4 本章小结56-58
• 结论与展望58-59
• 结论58
• 展望58-59
• 参考文献59-65
• 硕士期间主要研究成果65-66
• 致谢66

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