基于苯并噻二唑和苯并二噻吩给体材料的设计合成及其在有机太阳能电池中的应用

发布时间：2020-10-18 16:28

　　 有机太阳能电池是一种极具应用潜力的光伏技术,因其重量轻、可柔性加工、低成本、可制备大面积器件等突出优点,成为近年来国内外光电材料领域的前沿和热点。当前,为实现有机太阳能电池的商业化,进一步提高其能量转换效率仍是该领域的焦点问题。本文主要基于对光伏材料结构与性能之间关系的理解,针对目前给体材料存在的缺点进行改善,设计并合成了一系列新型的基于二氟苯并噻二唑和苯并二噻吩类的高效率共轭聚合物和小分子给体材料,同时针对分子结构和器件性能之间的关系展开了探索性研究。具体的研究工作和结果包括:1、设计合成了一系列基于二噻吩四氟苯的给体聚合物(PBT-2TPF4、PffBT-2TPF4)材料,用于得到高开路电压和高稳定性的聚合物有机太阳能电池器件。同时通过无规共聚合成了一系列可室温下旋涂的高迁移率无规聚合物(PffBT-2TPF4-19/1、PffBT-2TPF4-9/1、PffBT-2TPF4-4/1)。研究发现基于四氟苯的聚合物具有低的HOMO能级,因此有利于得到高开路电压,同时有利于器件的稳定性。而通过无规共聚方式调控聚合物在溶液中的聚集程度和分子间的堆叠作用,从而得到了可在室温下溶液旋涂的高性能聚合物,避免了高温加工带来的困难。基于PffBT-2TPF4-9/1:PCBM为活性层的器件得到了9.4%的能量转换效率。通过全非卤溶剂进一步优化得到了9.91%的能量转换效率,同时利用同步辐射测试手段通过对活性层薄膜形貌分析,揭示了器件性能在光照条件下衰减的机理。2、设计合成了一种新的基于含酯基的并噻吩电子受体单元(TT-Th)用于构建宽带隙聚合物给体材料(PBDT-TT)。研究发现该聚合物具有非常好的对称结构,其薄膜下能形成非常有利于电荷传输的面-面堆积结构,此外,由于采用较强给体单元与弱吸电子单元的策略使得该聚合物具有浅的HOMO能级,比较蓝的吸收,因此其既能与吸收在800 nm左右的ITIC类受体匹配,也能和吸收超过900 nm的近红外受体匹配,且两种体系都超过11%的光电转换效率,因此展现出了较强的应用潜力。3、设计合成了一系列的基于苯并二噻吩为给体单元、苯并噻二唑为受体单元的A-D-A型给体小分子材料(BDT(TBTTT6)_2、BDT(TffBTTT6)_2、TBDT-T6ff BT、OBDT-T6ffBT)。并讨论了氟原子侧链与烷烃侧链对小分子的光伏性能的影响。研究发现,在BT单元中引入氟原子可以有效调节分子能级,且其分子堆积更紧密,迁移率更高,因此具有更好的器件性能,但氟原子的引入使得其溶解性减小,而在噻吩桥环上增加烷烃侧链后,不仅提高了其分子溶解性,同时改善了其与PCBM的共混形貌,形成了具有纤维状的纳米互穿网络结构,因此进一步提高了器件性能。对于TBDT-T6ffBT:PCBM的器件在经过添加剂和热退火同时处理后得到了6.1%的高能量转换效率。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

图 1.1 经过美国国家可更新能源实验室（NREL）认证的各类太阳能电池的能量转换效率记录，其中红色实心圆点表示有机太阳能电池单层器件[1]Figure1.1 the various energy conversion efficiency of solar cell records by U.S. nationalrenewable energy laboratory (NREL) certification, the solid red dot represents the single-junctionorganic solar cell device.

图 1.2 有机太阳能电池器件结构图Figure 1.2 The device structures of the organic solar cells.有机太阳能电池的工作原理如图 1.3 所示，其中活性层的光电转换的机理

图 1.3 有机太阳能电池工作原理图Figure 1.3 The principle schematic diagram of the organic solar cells. 有机太阳能电池的主要性能参数
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本文编号：2846537