基于卟啉的有机光伏材料的合成及性能研究

发布时间：2020-10-09 07:55

　　 由于叶啉化合物具备高的摩尔吸收系数,良好的热稳定性,优异的电化学性能和电子传输能力等特点,使得基于卟啉的化合物或聚合物成为了新型太阳能电池的染料敏化剂和活性层材料。本文综述卟啉化合物在本体异质结太阳电池(BHJ SCs)以及染料敏化太阳电池(DSSCs)中的研究进展,以及作为染料敏化剂和活性层材料的相关设计策略。通过考虑吸收光谱、分子能级、溶解性能、电子/空穴迁移率以及相形貌等方面,设计并合成了四个基于卟啉的聚合物给体材料和两个基于三苯胺衍生物连卟啉的染料分子。利用核磁共振谱图、飞行时间质谱和元素分析等测试手段对合成的中间体以及目标分子进行了表征。本论文的主要研究内容如下:(1)设计并合成了四个基于吡咯并吡咯二酮(DPP)和含柔性烷基间隔连接的四噻吩卟啉(TTP)作为侧链的咔唑单元的共聚物(XP10,XP11,XP12和XP13)。系统研究了 TTP的引入对共聚物的光学和电化学性质、形貌、迁移率和光电性能的影响。研究结果显示,TTP/DPP比例为2/8的XP11具有最好的性能,包含宽的吸收光谱,平衡的空穴/电子迁移率和适合的微相分离等。在通过溶液蒸气退火优化之后,基于XP11和PC71BM的有机太阳能电池器件表现出5.11%的最佳能量转换效率(PCE),其短路电流密度(Jsc)为10.36 mA/cm2,开路电压(Voc)为0.77V,填充因子(FF)为0.64。(2)设计并合成了基于三苯胺衍生物、卟啉单元和苯并噻二唑单元(BT)的两个染料分子(XDBT和XDffBT)。研究了 BT上F原子的引入对染料的光物理性能、电化学性能、吸附量、阻抗以及光伏性能的影响。研究结果显示,BT上含F原子的染料获得了高的摩尔吸收系数、高的开路电压、略少的吸附量以及强的聚集现象。在加入1mM的CDCA后,XDBT获得了 5.24%的PCE,而XDffBT获得了4.17%的PCE。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34;TM914.4
【部分图文】：

图１．１几种基于卟啉的小分子给体结构逡逑Ｆｅｒｎａｎｄｏ邋Ｌａｎｇａ的研究小组多次研究了卟啉作为中心和３－乙基罗丹宁作为逡逑末端受体的分子结构（图１．２）。他们使用一个或者两个噻吩作为间隔基分别合成逡逑了化合物Ｍｏｒａｎ－１和化合物Ｍｏｒａｎ－２１２６＾。通过在旋涂期间使用吡啶作为溶剂添加逡逑剂，并在活性层中使用不寻常的空穴传输层ＣｕＳＣＮ来代替普通的ＰＥＤＯＴ：邋ＰＳＳ，逡逑最终得到Ｊ７邋Ｍｏｒａｎ－１和Ｍｏｒａｎ－２的ＰＣＥ分别为６．５９％和７．２４％。几个月后，具有逡逑类似结构的Ａｒｒｅｃｈｅａ－１和Ａｒｒｅｃｈｅａ－２被报道间。第一种化合物类似于前面的化合逡逑物Ｍｏｍｎ－２，其中位于ｍｅｓｏ的噻吩基已经被长链院氧基苯基所取代，而Ａｒｒｅｃｈｅａ－２逡逑末端基团是二氰基乙烯基受体单元而不是３－乙基铙丹宁。使用ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／逡逑给体：ＰＣ７１ＢＭ／ＡＩ器件结构，测量得到了邋Ａｒｒｅｃｈｅａ－１和Ａｒｒｅｃｈｅａ－２的ＰＣＥ分别为逡逑５．１４％和６．０６％。使用锂盐作为活性层和铝电极之间的中间层进一步改善了后者逡逑的光伏性能。这有助于电荷提取和增强Ｊｓｃ和ＦＦ，最终ＰＣＥ达到了邋７．６３％。逡逑Ｘｉａｏ等人也开发了类似的结构，如ＰＴＴＲ和ＰＴＴＣＮＲ（图１．３尸８］。第一种也逡逑使用３－乙基罗丹宁作为缺电子单元，而第二种则是基于２－（Ｕ－二氰基－亚甲基）－３－逡逑乙基饶丹宁的衍生物。使用氯仿或氯苯／１

且己经超过了含卟啉聚合物的最高ＰＣＥ值。实际上，这类分子结构为Ａ－Ｄ－Ａ型逡逑结构，其中包括苯并噻二唑作为Ａ单元的卟啉化合物ＤＨＴＢＴＺＰ和逡逑ＤＨＴＢＴＥＺＰ（图１．３）。它们结构之间的区别在于后者中存在乙炔基桥，因此后者逡逑具有更好的平面共轭性。推拉效应与分子中有效的电子离域的能力相结合，产生逡逑了低能量的激发态。对于ＤＨＴＢＴＥＺ来说，这种激发态的出现使得在８００邋ｎｍ附逡逑近出现新的宽而强烈的ＩＣＴ吸收带。这种结构差异反映在有机光伏器件的ＰＣＥ逡逑４逡逑

逦ＤＨＴＢＴＥＺＰ邋Ｒ＝Ｃ１２Ｈ２５逡逑图１．３几种Ａ－Ｄ－Ａ型卟啉小分子给体材料逡逑基于ＤＰＰ和卟啉单元的ＳＭ的第一种设计出现在２０１３年（见图１．４所示的逡逑Ｐｏｒ－２）［３５〗，其中苯并噻二唑单元已被吡咯并吡咯二酮（ＤＰＰ）单元所取代。这种改逡逑进导致ＰＣＥ达到３．７１％，在活性层添加少量的吡啶进行优化后，ＰＣＥ值得到了逡逑改善，达到了邋４．７８％。事实上，加入这种添加剂改善了活性层的形貌，从而改善逡逑／＊电荷传输和提高ｉ＂太阳能电池的整体效率。丨ｋｒ－２在［１卜Ｗ林大环的ｎｉｅｓｏ－苯基取逡逑代基的间位处具有长度为Ｃ１２的长烷基增溶链。为了研究这些链的影响，又合逡逑成ＤＰＰＥＺｎＰ－Ｏｌ％，它的烷基链被缩短了四个碳原子，并位于苯环的对位，因此逡逑它们位阻较小。与Ｐｍ＿－２不同，它们位于卟啉环的平面内，这也导致较小的空间逡逑位阻和更强的分子间相互作用，最终ＰＣＥ提高至７．２３％。２０１５年，ＤＰＰＥＺｎＰ－０逡逑的性能通过太阳能电池制造过程中的优化后得到进一步改善［３２＼在旋涂期间

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本文编号：2833439