新型酰亚胺类受体材料的设计合成及其光伏性能研究

发布时间：2020-04-06 04:43

【摘要】：有机太阳电池(OSCs)作为解决环境污染、能源危机的有效途径之一,具有质量轻、成本低、可溶液加工以及大面积制备柔性器件等优点而受到科研工作者的广泛关注。近年来,随着科学家们不断地对新型活性层材料的设计与合成、活性层形貌调控、界面修饰以及器件结构的优化,OSCs的光电转换效率(PCE)得到了大幅度提升,目前,实验室取得的最高单结器件效率已经超过16%。活性层作为有机太阳能电池的核心部分,主要包括电子给体材料和电子受体材料。其中,各种窄、中、宽带隙的给体材料的发展已相当成熟,而在受体材料中一直占据主导地位的富勒烯及其衍生物由于其固有的缺陷,如吸收窄而弱、能级不易调控、合成成本高、提纯困难、以及光和热稳定性差,限制了OSCs器件性能的进一步突破。近几年来,通过分子结构设计和优化,基于非富勒烯小分子和聚合物的受体材料取得了较大的突破。为此,我们发展了系列基于酰亚胺(傒二酰亚胺和萘二酰亚胺)的新型交叉共轭型小分子和窄带隙共轭聚合物受体材料,并应用于OSCs活性层中,并研究了分子结构对其吸收光谱、电子能级、分子聚集、以及活性层共混膜形貌等的影响。在第二章工作中,我们结合了受体单元-给体单元-受体单元(A-D-A)和PDI型受体材料的优点,以苯并二噻吩(BDT)为核,噻吩和炔键分别作为桥接单元,设计并合成了三个含有不同拉电子基团的新型交叉共轭型小分子受体材料(SMAs)。这种交叉共轭型小分子具有类似于富勒烯衍生物的各向同性电荷传输性质。相比于大多数PDI类小分子,其吸收光谱拓宽,其能级和吸收光谱可以通过改变端基的种类来调节。采用该系列小分子受体分别与PTB7-Th给体共混制备的有机太阳电池器FF最高能达到6.06%。在第三章中,我们针对第二章工作中,小分子端基与BDT核较大的二面角,不利于分子间的π-π堆积,分子在长波处的吸收较弱,器件短路电流密度(J_(SC))较低问题,进一步提高小分子受体材料在长波处的吸收。我们在小分子的垂直和水平方向上依次对称的引入噻吩和噻吩并环戊二烯(CPD)单元,得到的PDI-CPD-IT小分子具有更加刚性的平面结构,吸收光谱明显拓宽,且长波处的吸收系数约为没有引入CPD单元前的PDI-BDTT-IT的两倍(2.42×10~5对比1.26×10~5 M~(-1) cm~(-1))。我们通过修饰拉电子端基和CPD上的烷基侧链,来调控分子的能级、吸收光谱、以及活性层中共混膜的表面形貌。当采用聚合物PBDB-T作为给体材料,基于二氟取代端基以及短烷基侧链修饰的PDI-CPD-ITFFS受体材料的器件能够获得高达9.76%的效率(J_(SC)和FF分别高达18.35mA cm~(-2)和70.86%),证明了这种“交叉共轭”的分子设计策略在构筑高效小分子受体材料上的潜能。在第四章工作中,我们同时将醌式共振和给体-受体(D-A)的设计策略用于窄带隙共轭聚合物的设计中,制备了吸收边能够达到1000nm的窄带隙聚合物受体材料。通过在具有稳定醌式共振结构的给体单元上引入氯原子来降低聚合物的HOMO能级,改变聚合物链间的聚集,提高电荷传输能力。我们同样设计了含有稳定醌式结构的三元聚合物受体材料,进一步改善共混膜形貌。当采用PTB7-Th作为给体制备的全聚合物太阳电池获得了2.38%的效率。在第五章,我们将具有稳定醌式共振结构的噻吩并苯(ITNT)给体单元与PDI受体单元交替共聚制备了PITN系列共轭聚合物(PITN-11和PITN-812),并系统地对比研究了侧链中支链碳原子数量的奇偶性对此类聚合物光学、电化学以及光伏性能的影响。我们发现支链C原子个数为偶数的PITN-812的结晶性能较好,吸收光谱较宽,有利于的太阳光的捕获和电荷的传输。基于PTB7-Th:PITN-812的器件能获得2.16%的光电转换效率。
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大的发展中国家，既是能源生产大国，同时也是能源消耗大国。能源安全问题已成国国家安全的一部分，，制约着国家经济社会的可持续发展。而传统化石燃料作为人需能源的主要来源，其不可再生的特点以及带来的严重环境问题阻碍了绿色经济的。在此背景下，开发新型的清洁能源，发展绿色经济显得尤为重要。在众多清洁能，太阳能因为其能量巨大、可持续、清洁无污染、来源广泛、方便等特点而备受人关注。太阳光透过大气层到达地球表面的能量约为 8.1 × 1013kJ s-1，其煤当量足够使用很长一段时间，我们只要收集太阳能中的一部分就足够满足我们对能源的需太阳能电池是一种可以将光能直接转换为电能的装置，分为无机太阳电池、杂化太池和有机/聚合物太阳电池，其中无机硅太阳电池由于其高效、寿命长、稳定等优点为当代商业化太阳电池的主流。目前无机硅太阳电池的效率也已经超过 25%，但因作工艺复杂、生产成本高、质量重而不易安装、安装成本高、且容易破碎，很大程限制了无机硅太阳电池在商业应用中的大规模推广。

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华南理工大学硕士学位论文（图 1-2）具有两个及以上的活性层，通过在不同的子电池中选用带隙不同的活性层来吸收不同波段的太阳光，提高短路电流密度的同时，实现更高的能量转换效率。南开大学陈永胜教授团队和中科院国家纳米科学中心丁黎明研究员等合作设计和制备的叠层有机太阳能电池材料和器件，实现了超过 17%的能量转化效率，[16]是目前有机太阳电池在实验室中取得的最高效率。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TM914.4

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