基于二噻并苯并二噻吩基和噻吩苯噻吩二螺芴的有机光电材料的合成及性能研究

发布时间：2020-04-27 19:03

【摘要】：在当今能源日益匮乏、环境日益恶化的大背景下,聚合物太阳能电池作为有机电子学一个重要研究领域,成为当今新能源领域研究的热点。虽然与钙钛矿或传统硅基太阳能电池相比,聚合物太阳能电池在效率方面存在一定差距,但由于其成本低、重量轻、柔韧、半透明等特性,推动了光伏技术的发展。在此基础上,重点研究了聚合物太阳能电池的活性层,一是基于二噻并苯并二噻吩基团合成了两种聚合物给体材料,二是基于噻吩苯噻吩二螺芴基团合成了两种小分子受体材料。通过核磁和质谱对其进行了确认和表征,并制备了聚合物太阳能电池,研究了这些合成材料的光伏性能。其主要研究内容如下:1.二噻并苯并二噻吩基团作为苯并二噻吩单元衍生物的一种,具有良好的平面性和更为出色的传输电子能力,易于在侧基进行修饰的特点。我们将其作为聚合物给电子单元(D),与作为缺电子单元(A)的BDD二锡进行共聚,合成了PDBT-2F,PDBT-2Cl二种聚合物给体材料。通过在聚合物的噻吩烷基侧基上引入双氟和和双氯原子,研究了这两种卤素原子对聚合物物理化学性能的影响,并比较了二者与不同受体材料共混后的光伏性能。最终以PDBT-2F为给体,IDIC为受体的聚合物太阳能电池的光电转换效率达到了12.01%,而与IT-4F为受体的器件效率则达到了10.15%。这种高的光电转换效率归功于氟原子强的电负性,在降低了给体的HOMO能级的同时,F-S/F-H的相互作用力增强了分子间的电荷的提取和转移,有利于获得更高的短路电流密度(J_(sc))。而以PDBT-2Cl为给体,IDIC或IT-4F为受体的聚合物太阳能电池的光电转换效率只有7.58%和6.54%,这是由于氯的原子半径太大,导致整个分子由于侧基的重原子效应使得平面性变差,二面角的扭曲也使得分子的堆积变差,进而影响到器件的效率。2.以噻吩苯噻吩二螺芴为给电子单元(D),以3-乙基绕丹宁和2-(1,1-二氰基亚甲基)绕丹宁(RCN)为第一受体单元(A1),以苯并[c][1,2,5]噻二唑(BT)为第二受体单元(A2),设计并合成了两个A1-A2-D-A2-A1型的小分子受体DTFBT-1、DTFBT-2,并对二者的光物理、电化学和基于它们制备的器件光伏性能进行了详细的研究。结果发现以J71为给体材料,以DTFBT-1、DTFBT-2为受体材料的器件分别获得了3.35%和4.40%光电转换效率。而二者都获得较高的开路电压,分别为1.15 V和0.96 V。相比较于DTFBT-1,由于端基中氰基饶丹宁有更强的吸电子能力,DTFBT-2获得了更高的短路电流密度J_(sc)(8.35 mA/cm~2)。
【图文】：

的结构和性能，以期获得理想的具有高效率的有机太阳能电池。 有机聚合物太阳能电池的研究进展有机聚合物太阳能电池发展迅速，主要得益于活性层光伏给体和受体材发展。当然，器件技术的成熟和新工艺的创新也使得电池器件光电转换提高。从开始具有代表性的基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)[16, 17]给体材料、烯基体系为受体材料，到后来逐步以苯并二噻吩(BDT)为核心构筑给基于非富勒烯基体系为受体的高效太阳能电池，不但从效率上获得逐步也从器件性能的稳定性上获得了一定的进步[16, 18-23]。总之，OPV 随着断进步和效率的不断提高，其未来拥有广阔的前景。.1 有机聚合物太阳能电池的器件结构与工作原理本体异质结(BHJ)太阳能电池类型分为两种典型的器件结构，一种是正图 1.1 左图所示，另一种为反型器件如图 1.1 右图所示。

照射到电池上时，活性层的给体受体吸收光子形成激电子-空穴对，产生的条件是需要吸收光子的能量要产生的激子部分在受体和受体界面之间扩散。在界面用，给体中的激子将电子转移到受体，受体中的激子载分离。随后通过负电极和正电极在电极/有机层之以形成光电流。因为本体异质结结构的有机层充满的激子扩散和激子电荷分离的效率大大提高。但同时网络结构影响，电荷载流子的迁移率表现不佳，，最终。整个电荷产生及转移的过程大致可分为以下几个形成激子；散到给受体界面；界面电荷分离；荷的传输；电极上收集。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TQ317

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本文编号：2642552