噻吩取代异靛基光伏材料的合成和性能研究

发布时间：2020-04-17 03:57

【摘要】：本论文简要地介绍了本体异质结(BHJ)型有机太阳能电池(OSCs)的结构和工作原理,并着重介绍了 BHJOSCs光活性层中高性能电子给体材料和电子受体材料的研究进展及设计策略。在BHJ OSCs中,光活性层材料吸收光子的能力、能级、溶解性、聚集态、相形貌和载流子迁移率等都会对器件的光电转换效率(PCE)产生重要影响。为此,本论文从调控电子给体材料的吸收光谱、能级、溶解性、共混微相分离结构和载流子迁移率等方面出发,设计并合成了一系列以苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)为推电子结构单元(D)、噻吩取代异靛为拉电子结构单元(A)的共轭聚合物以及两种以二氟联噻吩为核,噻吩取代异靛为两臂的小分子电子给体材料。并采用热重分析(TGA)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、循环伏安法(CV)、广角X射线粉末衍射(WAXRD)等分析方法表征了所合成的光活性层材料的热稳定性、光物理性质、电化学性能和聚集态。最后,以这些材料制备了 BHJOSCs器件,并探讨了其结构与性能关系。1.设计并合成了两种基于3,3'-二氟-2,2'-二联噻吩为中心核、噻吩取代异靛为两臂的A-D-A型小分子给体材料。并研究了单噻吩取代(TBIG)和双噻吩取代异靛(DTIG)对小分子的光物理性质、电化学性能以及分子聚集态的影响规律。研究结果表明,基于单噻吩取代异靛的小分子S-TBIG具有较低的最高成键分子轨道能级、更高的载流子迁移率、更合适的共混膜形貌。故其OSCs表现出更高的PCE值2.19%,对应的开路电压Voc为0.69 V、短路电路密度Jsc为6.50 mA cm-2、填充因子FF为48.48%。2.设计并合成了两种基于BDT为D单元,单噻吩取代异靛为A单元且位于聚合物共轭侧链的二维共轭聚合物PBDT-TBIG和PBDTT-TBIG。研究了推电子结构单元分别引入烷氧基(BDT)和噻吩烷基侧链(BDTT)对其光伏性能的影响。研究结果表明:以单噻吩取代异靛作为共轭聚合物侧链,可有效降低聚合物的HOMO能级到-5.32 eV以下,将噻吩取代异靛基聚合物的OSCs的Voc值提高至大于0.85 V。基于烷氧基取代BDT作为D单元,单噻吩取代异靛作为A单元的聚合物PBDT-TBIG具有更高的载流子迁移率、更小的π-π堆积距离、更合适的共混膜形貌,故其OSCs表现出最高的PCE值5.87%(Jsc=11.81 mAcm-2,Voc=0.85 V,FF=58.28%),这高于文献报道的噻吩取代异靛基聚合物的光伏性能。
【图文】：

逡逑图１．１显示了该异质结电荷分离过程的能量简化图。（１）当给体吸收光子时，逡逑电子首先被激发进而穿过从ＨＯＭＯ到ＬＵＭＯ的带隙，形成激子。（２）如果给逡逑体和受体的ＬＵＭＯ能级（ＡＥｕｊＭＯ）之间的差大于激子结合能，，则该激子向给体－逡逑受体界面扩散，其中电子向受体材料的ＬＵＭＯ转移。（３）类似地，对于在受体逡逑上形成的激子，如果ＨＯＭＯ能量之间的能量差（ＡＥｈｏｍｏ）足够，则可以发生向逡逑给体的空穴转移。从这个弱束缚电荷转移（ＣＴ）状态开始，可以产生自由电子逡逑和空穴，然后它们可以转移向它们各自的电极。然而，激子能在成为自由电荷之逡逑前可以在异质结处重新结合（孪生重组），或者有选择的与其他自由电荷重新结逡逑合（非孪生结合）

逡逑图１．１显示了该异质结电荷分离过程的能量简化图。（１）当给体吸收光子时，逡逑电子首先被激发进而穿过从ＨＯＭＯ到ＬＵＭＯ的带隙，形成激子。（２）如果给逡逑体和受体的ＬＵＭＯ能级（ＡＥｕｊＭＯ）之间的差大于激子结合能，则该激子向给体－逡逑受体界面扩散，其中电子向受体材料的ＬＵＭＯ转移。（３）类似地，对于在受体逡逑上形成的激子，如果ＨＯＭＯ能量之间的能量差（ＡＥｈｏｍｏ）足够，则可以发生向逡逑给体的空穴转移。从这个弱束缚电荷转移（ＣＴ）状态开始，可以产生自由电子逡逑和空穴，然后它们可以转移向它们各自的电极。然而，激子能在成为自由电荷之逡逑前可以在异质结处重新结合（孪生重组），或者有选择的与其他自由电荷重新结逡逑合（非孪生结合）
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O626;TB34

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本文编号：2630425