基于10-甲氧基亚氨基芪的D-π-A-π-A有机小分子光伏材料的合成及其性能研究

发布时间：2017-09-15 06:27

  本文关键词：基于10-甲氧基亚氨基芪的D-π-A-π-A有机小分子光伏材料的合成及其性能研究

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【摘要】：随着社会经济的飞速发展,能源需求日益膨胀,传统化石能源不断被采集,造成了能源枯竭与严重的环境污染,新能源的发展迫在眉睫。有机太阳能电池具有质量轻、成本低、分子设计灵活、可大面积制造等诸多优点,被普遍认为是缓解能源危机的有效途径。本论文简单阐述了燃料敏化太阳能电池和本体异质结太阳能电池的工作原理及研究进展,详细介绍了几种高效染料敏化剂和有机光伏小分子材料。为了研究分子结构与材料性能的关系,获得高光电转化率的有机材料,本论文设计合成了一系列基于10-甲氧基亚氨基芪和异靛蓝单元的D-蓝单元的芪成了类染料敏化剂和本体异质结太阳能材料,并通过核磁共振氢谱(1H NMR)、碳谱(13C NMR)和时间飞行质谱(TOF-MS)等表征手段确证了这些材料的分子结构;利用热失重分析(TGA)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、循环伏安曲线(CV)等测试研究了这类材料的光物理性能;以这类D-π-A-π-A有机小分子为活性材料,制备了染料敏化太阳能电池和本体异质结太阳能电池,初步研究了材料的光伏性能,探索了材料的分子结构与器件性能的关系。本论文的具体研究内容如下:1.设计合成了两种基于10-甲氧基亚氨基芪单元和异靛蓝单元的D-π-A-π-A新型染料敏化剂(ITB-T-ID-TCA和DITB-T-ID-TCA),并表征了它们的分子结构;系统的研究了给体单元的大小对材料的光物理性能及器件性能的影响。研究结果表明:这两个化合物在300-800 nm内都具有较强的光谱吸收;并且含给体单元较小的ITB-T-ID-TCA光电转换效率更高,这与以往的报道结论相反。我们通过密度泛函理论、IPCE曲线及电化学阻抗谱等测试发现位阻小的ITB-T-ID-TCA其电荷传输性能更强,其器件具有更高的短路电流,光电转换效率达4.38%,远高于含较大给体单元DITB-T-ID-TCA的光电转化效率(1.46%)。2.在第二章的设计基础上,我们引入了吸电子末端基团绕丹宁衍生物或氰基辛酸酯单元,合成得到了四个D-π-A-π-A窄带隙有机光伏小分子ITB-T-ID-TOR,ITB-T-ID-TCOA,DITB-T-ID-TOR及DITB-T-ID-TCOA,并表征了它们的分子结构。通过紫外吸收光谱、电化学研究及热失重分析等手段研究了它们的光物理性能。研究结果表明:这类窄带隙化合物在300-900 nm内都具有较好的光谱吸收性能,并且它们在5%失重时的分解温度都在380 oC以上。以这4种化合物为活性层,制备了本体异质结太阳能电池,研究了它们的光伏性能。由于这类有机小分子的成膜性较差,因此器件的光电转化性能较低。其中基于ITB-T-ID-TCOA的太阳能电池呈现出最好的光电转换效率0.73%。
【关键词】：亚氨基芪 异靛蓝 D-π-A-π-A 染料敏化太阳能电池 异质结太阳能电池
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-28
• 1.1 引言10-11
• 1.2 染料敏化太阳能电池（DSSCs）简介11-24
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池（DSSCs）的基本原理12-13
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池常见性能表征参数13-14
• 1.2.3 染料敏化剂的发展现状14-24
• 1.3 有机光伏小分子给体材料24-27
• 1.3.1 吡咯并吡咯二酮类（DPP）小分子给体材料24-25
• 1.3.2 异靛蓝类（ID）小分子给体材料25-27
• 1.4 论文设计思想与创新点27-28
• 1.4.1 论文的设计思想27
• 1.4.2 论文的主要创新点27-28
• 第2章 实验试剂及仪器测试方法28-30
• 2.1 实验原料与试剂28-29
• 2.2 实验仪器与测试条件和方法29-30
• 第3章 含有亚氨基芪单元的D-π-A-π-A型染料敏化太阳能电池的设计合成及性能研究30-44
• 3.1 引言30-31
• 3.2 实验部分31-35
• 3.2.1 实验合成路线31-32
• 3.2.2 实验步骤32-35
• 3.3 结果与讨论35-43
• 3.3.1 部分中间体和目标分子的合成及分子结构表征35-36
• 3.3.2 化合物ITB-T-ID-TCA与DITB-T-ID-TCA的热稳定性能36-37
• 3.3.3 化合物ITB-T-ID-TCA与DITB-T-ID-TCA的密度泛函理论计算37
• 3.3.4 化合物ITB-T-ID-TCA与DITB-T-ID-TCA的光学性能37-39
• 3.3.5 化合物ITB-T-ID-TCA与DITB-T-ID-TCA的电化学性能39-40
• 3.3.6 ITB-T-ID-TCA与DITB-T-ID-TCA的光伏性能40-41
• 3.3.7 ITB-T-ID-TCA与DITB-T-ID-TCA的电化学阻抗性能41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第4章 含有亚氨基芪单元的D-π-A-π-A型本体异质结太阳能电池的设计合成及性能研究44-53
• 4.1 引言44-45
• 4.2 实验部分45-47
• 4.2.1 合成路线45-46
• 4.2.2 实验步骤46-47
• 4.3 结果与讨论47-52
• 4.3.1 合成及其结构表征47-48
• 4.3.2 溶解性与热稳定性能48-49
• 4.3.3 紫外可见吸收光谱49-50
• 4.3.4 电化学性能研究50-51
• 4.3.5 光伏性能研究51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 总结与展望53-54
• 参考文献54-63
• 致谢63-64
• 在学期间发表的学术论文64-65
• 附录部分 产物核磁共振氢谱，，碳谱，质谱65-77

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本文编号：854849