有机太阳能电池小分子受体材料的设计、合成与光伏性能研究

发布时间：2020-05-12 10:25

【摘要】：近些年来,由于能源紧缺和污染的问题,寻找可替代传统化石能源的清洁能源成为了急需解决的问题。太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点,因而人们可以利用太阳能作为新的清洁能源。与传统的硅基太阳能电池相比,有机太阳能电池生产成本低、可柔性制备、生产过程安全低污染,正在发展成为新一代的太阳能电池。有机太阳能电池活性层材料主要分为给体材料和受体材料。给体材料包括聚合物给体材料和小分子给体材料。受体材料包括富勒烯衍生物受体和非富勒烯受体。富勒烯衍生物受体材料在可见光区域的吸收较差、合成和纯化困难、能级难以调控,这限制了它的进一步发展。目前基于非富勒烯受体材料的单层太阳能电池器件已经达到了 14%的效率,超过了富勒烯衍生物有机太阳能电池。设计与合成新型非富勒烯受体材料是提高光电转换效率的核心。本论文围绕新型非富勒烯小分子受体材料的设计与合成,研究非富勒烯小分子受体材料结构与性能的关系,主要内容如下:1.设计并合成了两种基于咔唑的小分子受体材料CzC6C8和CzC8。这两种材料具有不同的侧链,通过对侧链的改变研究侧链对膜形态及光伏性能的影响。其中基于PBT:CzC6C8的太阳能电池器件能量转换效率达到了 3.30%,而基于PBT:CzC8的太阳能电池器件能量转换效率达到了 4.61%。且通过使用三种具有相似LUMO能级和不同HOMO能级的聚合物给体材料证明了基于CzC8的器件在给受体LUMO能级差较小时仍能得到好的能量转换效率。2.设计并合成了两种稠环小分子受体材料ITIC-m-SC8和ITIC-m-FSC8。ITIC-m-FSC8的侧链上引入了氟原子,研究了侧链上氟原子的引入对膜形态及光伏性能的影响。基于PBDB-ST:ITIC-m-SC8的器件得到了 6.53%的能量转换效率,而基于PBDB-ST:ITIC-m-FSC8的器件得到了 7.17%的能量转换效率。我们发现侧链上引入氟原子会增强分子间作用力,增强分子聚集,有利于电荷传输。3.设计并合成了两种窄带隙的稠环电子受体TTIC和TTIC-M。通过在核的中心引入噻吩并噻吩结构,增强了核的给电子能力和内电荷转移作用,从而使材料的吸收红移到了近红外区,极大地扩展了给受体材料共混膜的吸光范围。基于PBDB-T:TTIC的器件得到了 10.61%的能量转换效率,基于PBDB-T:TTIC-M的器件得到了 11.48%的能量转换效率。其中,11.48%是目前为止基于非富勒烯窄带隙(1.45 eV)受体材料的有机太阳能电池最高效率之一。
【图文】：

？逦ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑0邋ｈｏｌｅ逡逑图１－１有机太阳能电池工作原理示意图１ｎ］逡逑Ｆｉｇ．１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｆｏｒ邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ逡逑１．２．３有机太阳能电池的器件结构逡逑因为在体异质结中，给体材料与受体材料能够形成双连续的互穿网络结构，逡逑这种结构可以提高给受体的界面面积、使激子的传输距离变短、降低电子空穴的逡逑再复合可能性，因而能够提高太阳能电池的能量转换效率。体异质结结构己经成逡逑为近来来太阳能电池器件的主流结构。体异质结器件结构主要分为正置器件结构逡逑和倒置器件结构。如图ｌ－２（ａ）所示，倒置器件结构为ＩＴＯ／ＺｎＯ／活性层／Ｍｎ０３／Ａｇ。逡逑其中，ＩＴＯ是阴极；ＺｎＯ是电子传输层；活性层为给受体材料共混而成；Ｍｎ０３逡逑是空穴传输层，，Ａｇ或者Ａｕ则是阳极。如图ｌ－２（ｂ）所示，正置器件结构为逡逑ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／活性层／Ａ１。其中，ＩＴＯ是阳极；ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ是阳极缓冲层，可逡逑以传输空穴同时阻挡电子？；＞活性层为给受体材料共混而成；低功函的铝或银则是逡逑阴极。在活性层和阴极之间可以加入阴极界面层，通常为ＬｉＦ或ＰＦＮ，可以传输逡逑电子阻挡空穴进入

ＺｎＯ逦疆■ＢＢＳＳＳＳＰ逦Ｇｖ＾Ｓ逡逑图１－２邋（ａ）倒置器件结构和（ｂ）正置器件结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄｅｖｉｃｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ逡逑１．２．４有机太阳能电池的几个主要表征参数逡逑活性层材料对整个器件的光伏性能具有巨大影响［１２］。器件的能量转换效率逡逑（ＰＣＥ）可以通过电流－电压（Ｊ－Ｄ测试直接得到。若以Ｐｍ表示入射光的能量，贝ＩＪ逡逑ＰＣＥ＝（邋Ｖｏｃ＾Ｊｓ＾ＦＦ）／Ｐｍ0逡逑（１）
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2660072