基于BDT单元的有机小分子和D-A型共聚物的合成与性能研究

发布时间：2020-08-17 17:33

【摘要】：有机太阳能电池具有可溶液加工、本身易弯折柔软性好、合成所需材料易得价廉、成品质地轻便且透明等优点,从而倍受科学研究人员以及社会商业界的青睐。在当前能源短缺形势下,研究可再生的有机太阳能电池更显迫切。有机太阳能电池给体材料的吸收光谱、能级匹配以及载流子迁移率等因素对有机太阳能电池光伏能量转换效率起着关键作用。本文以设计并合成有机小分子给体材料、聚合物给体材料为目标,选取优良的给体单元苯并噻二吩(BDT)为主要构建单元,设计合成以BDT给体为主核与三联噻吩合成的有机小分子,以BDT给体单元分别与苯并噻二唑、与1,5-二硫杂-3,7-二氮杂螺[3.3]庚-2,6-二烯合成的Donor-Acceptor(D-A)型共轭聚合物共三个光伏材料,而且对以上经过改性的材料结构进行了详细的研究,以探明其对有机太阳能电池光伏性能有何影响。分别采用~1H-NMR、紫外-可见吸收光谱测试仪、高斯量子化模拟计算、原子力显微镜(AFM)、循环伏安测试、热失重测试仪(TGA)等对合成的给体材料的分子结构、薄膜形貌与粗糙度、热稳定性能、光吸收和电化学性能分析表征。以这三种材料作给体,以ITIC材料为受体制备光伏器件,并对器件光伏性能进行了表征和分析。主要研究工作如下:(1)三联噻吩(2,2':5',2''-Terthiophene,TT)结构由于平面性较好而具有比较优良的吸电子性和分子间π-π键的作用力,还可以改变烷基链长度或增加杂原子,可以很好的调控其溶解性和带隙等。这里设计并合成了一种三联噻吩作为双臂,饶丹宁作分子封端的受体单元,与用烷硫基噻吩改性过的BDT加双边锡物质发生Stille偶联反应,获得有机给体聚合物材料(TT-BDST-TT),TT-BDST-TT具有良好的电子云分布和热稳定性。同时,研究了TT-BDST-TT和ITIC电子受体材料的共混膜的光伏性能。其在用于制备器件时,发现溶解性差旋涂成膜并不理想,溶解性差主要是因BDT单元的烷硫基噻吩的链长过长导致的。虽然作为有机小分子光伏材料性能良好,却无法用于光伏器件制备。(2)为研究给/受体(D-A)型共轭聚合物上受体单元中不同位点所连接的烷基链长度对光伏材料性能的影响,以BDT作为核心单元,与改性的苯并噻二唑设计并合成了D-A型二维共轭聚合物BDT-BTz。并对该给体材料的光电性能、电子迁移速率和薄膜形貌等进行测试。研究结果表明:以苯并噻二唑(BTz)作为受体单元时,因其苯环上具有多个可修饰位点,则采取对烷基链改性的方法改变其长度对能级的影响较小,所制备光伏器件的性能却影响较大。该有机聚合物不仅电子云分布均匀、分子平面性好,而且受体单元的吸电子性好,有利于电子-空穴迁移。而且它的热稳定性好,溶解性好薄膜吸收光谱表现良好,能够用于制备光伏器件。基于BDT-BTz的有机光伏器件(ITO/PEDOT:PSS/BDT-BTz:ITIC(1:1,w/w)/Ca/Al)显示出的光伏性能良好。当加入0.5%的1,8-二碘辛烷(DIO)并进行退火操作后,开路电压和能量转换效率分别为0.84 V、3.37%。(3)设计并合成了基于BDT为主要给体单元,1,5-二硫杂-3,7-二氮杂螺[3.3]庚-2,6-二烯为受体单元的给受体型共轭聚合物光伏给体材料BDT-NSd。在分子整体结构的两侧分别连接一个噻吩单元,并在噻吩三号位置上引入烷基链;而BDT单元的噻吩烷基链替换成短链,以探明烷基链改性对给体材料光伏性能的影响。测试表明:有机给体材料BDT-NSd的溶液溶解性与固体薄膜成膜性都较好;其太阳光吸收光谱涵盖了300~700 nm的波段范围。由于受体单元的吸电子性强作用,所以该有机光伏材料整体HOMO能级较低,才达到-5.41 eV。将BDT-NSd材料作为给体材料,与ITIC受体材料的能级匹配度较高,将两者进行以质量1:1比例共混成薄膜,并添加0.5%DIO作修饰时,光伏器件的能量转换效率值为2.14%。该共轭聚合物虽然有优良的开路电压和填充因子性能,但因为烷基链太少,使得给受体接触面积过小而无法形成有效的电子填充堆积,以其为给体材料所制作的器件能量转换效率达到2.14%。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TM914.4
【图文】：

图 1.1 太阳能电池按照制作材料分类Tab. 1.1 Solar cells are classified according to the materials produced但无机太阳能电池不仅能量偿还时间长，不适宜制备柔性设备而且成本毒性大[2]。有机太阳能电池有以下优点：(1)太阳含有“无穷”光资源；(2)易得，材料合成容易；(3)器件制备方便，成本低；(4)厚度最薄，轻质廉价；(5)可卷对卷(roll-to-roll)或层对层(layer by layer)等工艺可柔性加工大面积。有机太阳能电池也愈加引起科研工作者和企业家联合关注且发展潜力和前景都不可限量。目前，随着有机太阳能电池的不断发展，人们在制备加池光伏器件上开拓出新的工艺，优化加工步骤，逐渐改进光伏器件，使其

有机太阳能电池在太阳光照射下，通过器件电极玻片到达共混膜活性层上这时，由入射光吸收转换所得到的光子，会被给/受体光伏材料全部吸收。当其被激发后，电子会进行跃迁，生成电子-空穴对，即激子（exciton）。当活性层材料的吸收光谱尽可能多的覆盖太阳光光谱的范围时，将对太阳光有更好的吸收。太阳光能量辐射范围集中在 300~700 nm，此时的光伏性能最优。(2) 激子向外扩散被内部转换吸收的光子，会在器件内部产生电中性的激子，激子必须经过扩散到达接触界面上。碍于激子本身的特殊性，其存在和扩散的时间都很短，如果激子在光伏材料中的扩散距离超过 10 nm，就会发生复合造成损失从而大大降低激子解离率。在这里，导致本身能量发生损失的因素有：第一，当激子进行扩散的时候，进行传递速率的快慢；第二，激子成功的完成解离后，会有电荷产生出来，而电荷传输到界面上时，会进行分离，这个分离速率的快慢是影响因素；第三，由于激子本身的特性，在传递过程中，其会发生内部复合，这个复合的多少是影响因素。这些因素在一定程度的损失，都会造成光电转换能量降低。如图 1.3 所示。

第一章 绪论能电池的常见结构（见图 1.4），一般会选用 ITO 玻的正极，它不会在光子入射时对其造成损失，并且多。而有机光伏器件的负极，常选用金属 Al，也可属。将有机光伏电池组件中最关键的光敏活性层，在两端电极中间位置。为了使选用的 ITO玻璃薄片的界面性质，能够进行自由的改变，可以在玻片电SS，旋涂修饰层；改变负极金属性质，采用某些活能函数都普遍要低，将这种金属先一步进行真空镀就可以对负极进行修饰[20]。由于材料组成的结构不

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 薛晓东;论生命起源过程中的偶然性——生命科学的哲学断想之一[J];科学技术与辩证法;1989年02期

2 武洋仿;李敏;;简介有机小分子凝胶与碳纳米管复合研究[J];广东化工;2015年03期

3 黄河清,林庆梅,肖志群,童丽,孔波,张凤章;猪脾铁蛋白反应器储存有机小分子能力的研究[J];生物物理学报;2000年01期

4 陈禹夫;李祥高;肖殷;王世荣;;溶液法大面积制备有机小分子场效应晶体管[J];化学进展;2017年04期

5 ;北理工在有机小分子光伏材料领域取得重要进展[J];云南电力技术;2016年05期

6 刘红兵;;新型高效有机小分子太阳电池研究[J];电源技术;2016年09期

7 沈利英;陈肖卓;于海涛;梁刚;;刺激响应型有机小分子凝胶的研究进展[J];有机化学;2009年03期

8 费鹏飞;西鹏;程博闻;;有机小分子/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能[J];天津工业大学学报;2013年03期

9 窦丽芳;蒋玲林;梁波;;聚乙二醇支载有机小分子合成的研究进展[J];现代生物医学进展;2006年09期

10 李楠;刘伟军;龚流柱;;手性有机小分子催化最新进展[J];化学进展;2010年07期

相关会议论文 前10条

1 胡海宇;陈传峰;;新型有机小分子凝胶[A];中国化学会全国第十三届大环化学暨第五届超分子化学学术讨论会论文选集[C];2006年

2 龚流柱;;有机小分子催化的不对称多组分反应[A];中国化学会第26届学术年会不对称催化分会场论文集[C];2008年

3 吴传德;;自校准型金属-有机框架传感器:荧光检测各类易挥发有机小分子[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第六分会：金属有机框架化学[C];2016年

4 金莲姬;张珉;苏忠民;;C_(60)内嵌有机小分子及其性质的理论研究[A];中国化学会第九届全国量子化学学术会议暨庆祝徐光宪教授从教六十年论文摘要集[C];2005年

5 刘春艳;刘云;李丽;;有机小分子辅助合成高活性孔结构TiO_2介晶[A];中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集[C];2010年

6 谭康慧;夏云生;;各向异性贵金属纳米粒子在有机小分子检测中的应用[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第04分会：纳米生物传感新方法[C];2014年

7 闵永刚;;提高溶液加工倒置三元共混有机小分子光伏电池器件效率的新策略:调控给/受体的相互作用力[A];2018第二届全国太阳能材料与太阳能电池学术研讨会摘要集[C];2018年

8 徐春祥;薛清华;徐洪光;唐洁影;张俊祥;崔一平;;多孔氧化铝/有机小分子复合体系中的发光现象[A];第九届全国发光学术会议摘要集[C];2001年

9 姜新蕊;杨忠志;;探索有机小分子的稳定构象[A];第十三届全国量子化学会议论文集——第四分会：生命、药物和材料量子化学[C];2017年

10 刘晓娟;逯乐慧;;表面增强拉曼散射基底的设计及其在有机小分子检测中的应用[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年

相关重要报纸文章 前3条

1 柯旺;化学所在响应性有机小分子凝胶研究方面取得进展[N];科学时报;2010年

2 张洁;曹昌盛：孜孜以求 躬耕不辍[N];科技日报;2017年

3 本报记者 沈慧 实习生 张振宇;把大志向写进小分子[N];经济日报;2017年

相关博士学位论文 前10条

1 王宏亮;基于芴、芘和噻吩基团有机小分子的设计合成及可溶液加工的电存储器件制备与性能研究[D];苏州大学;2018年

2 魏志贤;有机小分子材料晶化机理的研究[D];山东大学;2018年

3 常峥峰;具有聚集诱导荧光效应新型材料的合成及应用和窄带隙有机小分子的合成与性能研究[D];北京理工大学;2017年

4 杨景翔;有机小分子的球晶形成机理及其应用研究[D];天津大学;2017年

5 傅玉琴;脯氨酸衍生的新型有机小分子的合成及其催化不对称碳—碳键形成反应研究[D];郑州大学;2006年

6 张明明;环境刺激响应有机小分子凝胶自组装行为及形貌研究[D];复旦大学;2012年

7 鄂洋;生物炭表面有机小分子及其活性研究[D];沈阳农业大学;2015年

8 吴双红;基于有机小分子材料的光探测器制作及性能研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2011年

9 李芳;单电荷有机小分子可控组装与膜功能化研究[D];华侨大学;2013年

10 王帮根;从均相到多相：若干手性有机小分子不对称催化反应研究[D];兰州大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 陈丙才;基于BDT单元的有机小分子和D-A型共聚物的合成与性能研究[D];安徽工业大学;2019年

2 何晓冬;有机小分子受体光伏材料的设计及其光电性能调控[D];大连理工大学;2019年

3 惠振宇;基于咔唑-吡咯并吡咯二酮的有机小分子光伏材料的合成与性质[D];大连理工大学;2019年

4 何梦琦;含氧有机小分子高气压光电离机理研究和应用[D];大连理工大学;2019年

5 肖雄;含腙式结构的CIE有机小分子和功能聚硫酸酯的合成[D];苏州大学;2018年

6 赵赫;基于咔唑的有机小分子光电材料的合成及其性能研究[D];石河子大学;2015年

7 张禹佳;分子筛内有机小分子吸附扩散行为的分子模拟研究[D];中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所);2019年

8 贺越;N，S-杂环有机小分子材料对钙钛矿太阳能电池性能的影响[D];太原理工大学;2019年

9 姜新蕊;应用ABEEMσπ/MM方法探究不同类型有机小分子及苏氨酸二肽分子稳定构象[D];辽宁师范大学;2018年

10 陆秀萍;刺激响应型有机小分子凝胶的构筑[D];江南大学;2018年

本文编号：2795619