基于碳氮不饱和键的新型有机光伏材料的设计合成及其性能研究

发布时间：2020-09-08 08:31

　　进入21世纪以来,随着科技的高速发展,能源短缺和环境污染问题逐渐暴露出来。太阳能作为可再生清洁能源受到科学界和工业界越来越多的关注,各种光伏技术应运而生,其中,有机太阳电池由于其具有可制备柔性器件、可溶液加工、可大面积生产等独特优势也受到了广泛关注。有机太阳电池的性能优化主要在于材料开发和器件优化两个方面,其中,设计合成高性能材料尤其是高效的活性层材料是实现高效有机太阳电池的基础。理想的太阳电池活性层材料不仅要能实现较高的光电转换效率,还需要具有合成方法简便、成本低廉、可大规模制备等特点。因此在设计高效的有机太阳电池活性层材料时,还需综合考量其合成路线以及合成方法。论文主要采用新型合成方法来制备有机太阳电池的活性层材料。制备了一系列主链含碳氮不饱和键的系列共轭聚合物/小分子,并研究了其光伏性能。Knoevenagel缩合反应是一种环境友好型的非金属催化的脱水缩合反应,其是由含醛基的单体与含活泼亚甲基的单体在碱的催化下进行的反应,具有后处理简便,反应单体合成简便、容易提纯,无毒,原子经济性较高,无金属催化剂等优点。在第二章中,我们采用Knoevenagel缩合反应制备了一系列以引达省五并噻吩(IDT)为核的A-D-A型近红外小分子受体材料,分别以二噻吩乙烯或二噻吩丙烯腈为连接基团。研究发现,基于二噻吩丙烯腈连接基团的小分子HOMO能级相对较低,进一步通过在端基引入氟原子降低分子的HOMO能级,同时拓宽吸收光谱,最终制备了吸收边达到1022 nm的近红外小分子受体材料,用于有机太阳电池得到了2.64%的光电转换效率。在第三章,我们采用含二醛基的单体和含二乙腈基的单体,在叔丁醇钾的催化下通过Knoevenagel缩合反应制备了一系列基于苯并二噻吩(BDT)的聚合物给体材料。通过优化主链和侧链结构,改善了聚合物的吸收性能和能级,将其与ITIC匹配,制备的有机太阳电池器件可以实现8.54%的光电转换效率。另外,我们发现采用Knoevenagel缩合反应与Stille聚合两种聚合方法制备的聚合物在物理化学性质及光伏性能方面无明显差异。在第四章,我们采用席夫碱反应制备含碳氮不饱和键的有机共轭小分子。我们采用傒四酸酐为原料,通过席夫碱反应将其与含醛基单体在酸的作用下脱去一分子水得到了含亚胺基团的PDI二聚体。所得到的含碳氮不饱和键的小分子具有较好的热力学稳定性、较好的光学电化学性能以及光异构化的现象,将其作为受体材料用于有机太阳电池得到了4.34%的效率。在第五章,我们采用席夫碱反应制备了主链含亚胺基团的共轭聚合物给体材料。所得到的聚合物具有良好的热稳定性,在紫外可见光区具有较强的吸收光谱,具有良好的电化学性能。我们同时研究了吸电子单元上氟原子的引入对聚合物光电性能的影响。研究发现氟原子的引入可以增强聚合物分子内的电荷转移作用,增强分子主链之间的聚集行为,同时降低聚合物的HOMO能级。在第六章中,我们制备了含萘二并噻二唑(NT)单元的共聚物给体材料,通过在侧链引入羧酸酯的方式降低聚合物的HOMO能级,从而提升光伏器件的V_(OC)。我们选择了两种具有不同给电子能力的给体(D)单元,分别是噻吩和联二噻吩来构筑聚合物的主链结构,基于噻吩单元的聚合物具有更深的HOMO能级,相应光伏器件的V_(OC)可以达到0.92 V。基于联二噻吩的聚合物具有更宽的吸收光谱,更强的分子间π-π堆积以及明显的变温吸收特性,但是其HOMO能级较浅,相应光伏器件的V_(OC)仅有0.76 V。我们进一步研究了羧酸酯侧链含量对于聚合物光伏性能的影响。我们发现当羧酸酯侧链的含量为25%时,聚合物的光学性能、电化学性能最佳,相应的器件性能也最为优异。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4;TQ317
【部分图文】：

光伏技术,效率,人类

1.1 引言随着全球人口总数的增长，人类对生活品质越来越高的追求以及科技的高速发展，人类对能源的巨大需求日益成为全人类亟待解决的最大的全球性挑战之一。与此同时，人类对化石能源的过度依赖导致了自然资源受到过度开采，自然环境遭到巨大破坏，这不仅导致了能源危机的出现，还使得人类的生活环境及多种动植物的栖息地受到破坏，许多动植物濒临灭绝。近些年来，人们逐渐意识到环境保护及资源节约的重要性，发展绿色环保的可再生能源成为亟待解决的问题之一。太阳能由于其具有巨大的能量（地球表面的太阳能辐射能量高达 120000 TW），较广的分布范围等独特的优势受到了越来越多的关注。无论是在科学研究层面，还是实际应用层面，太阳能发电技术都受到了广泛关注并展现出巨大的发展前景。太阳能的获取、转化、储存等一系列问题都是近些年来科学界和产业界关注的重点问题。

太阳电池,实际应用

华南理工大学博士学位论文着有害物质的产生，生产过程中污染严重，并且硅基太阳电池由于其本身特性柔性器件。在过去的数年间，有机太阳电池已逐渐从实验室中走向商业化应用产上来说，有机太阳电池可以在室温下采用卷对卷加工技术制备质量轻、柔性半透明等特性的产品，为光伏技术丰富人们的生活带来了无限的可能性。

叠层,器件结构,器件,太阳电池

华南理工大学博士学位论文器件效率，通常会在电极和活性层之间加入界面材料，即空穴传输/抽取层（HTL/HEL）和电子传输/抽取层（ETL/EEL）。界面层对从活性层中选择性地抽取空穴和电子起到了关键性作用。在正装器件中，阳极界面修饰层（常用 PEDOT:PSS），活性层和阴极界面修饰层（如 PFN-Br）连续地沉积在阳极（一般为氧化铟锡 ITO）上，最后再将阴极金属电极（常用 Ag）蒸镀上去。而在倒装器件中，则是以 ITO 作为阴极，以低功函材料（如 ZnO），活性层，高功函的阳极修饰层（V2O5、MoO3）的顺序沉积在 ITO 上，最后再蒸镀上一层阳极材料（Ag 或 Au）。除此之外，还会采用两个或多个独立器件组成的叠层器件结构，以实现吸收互补的目的，为了实现激子的有效解离和传输，还会对每层器件中活性层厚度进行优化，以得到更好的器件效果。

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