基于苯并二噻吩单元的聚合物太阳能电池受体材料的开发与应用

发布时间：2020-06-17 18:49

【摘要】：有机太阳能电池在这近几年的迅速发展使人们看到其实现商业化应用的可能,其中单节聚合物太阳能电池的研究不断地取得突破并已达到13%以上的光电转换效率,这得益于众多优秀的光伏材料的开发与优化,特别是近年得到快速发展的小分子非富勒烯受体材料。一种经典的3元稠环化合物——苯并二噻吩(BDT)作为构建有机光电材料的一个结构单元具有其优越的性能。本论文的研究工作基于苯并二噻吩结构单元开发出了一系列结构为“拉电子单元-供电子单元-拉电子单元(a-d-a)”的小分子受体材料,并分别从分子的中心骨架、末端基团优化和侧链修饰这三个方面进行研究,来进一步开发具有更高性能的聚合物有机太阳能电池。(1)设计合成了含BDT单元的a-d-a型非富勒烯受体材料BDT-IC,该化合物具有与IT-IC互为同分异构体的7元稠环骨架BDCPDT,使其获得了比IT-IC较为红移的吸收光谱以及较窄的能隙。BDT-IC同时在有机薄膜中具有更好的结晶性以及更紧密的分子堆积,使其具有更好的载流子迁移率。与聚合物给体J71配合获得了10.5%的平均光电转换效率,高于基于IT-IC的太阳能电池器件。(2)在末端基团上引入Cl原子合成了两个新型的基于BDT的非富勒烯受体材料BT-CIC。由于Cl原子拉电子效应,使BT-CIC具有E_g=1.33 eV的超窄带隙,且吸收波长边缘达到了近红外区的930 nm处。Cl原子的引入提高了分子在固体薄膜中的堆积,大大提高了器件的短路电流J_(SC),以聚合物J71为给体材料的器件效率达到了11.2%。另外,基于BT-CIC的半透明有机太阳能电池在平均透过率为43%的情况下达到了7.1%的光电转换效率。(3)在BDT-IC骨架上通过引入正己基(n-hexyl)和正己基硫基(n-hexylthio)侧链分别合成了两个新的受体材料CBT-IC和SBT-IC。通过与BDT-IC的比较发现,侧链的推/拉电子性能对受体材料的光吸收和分子能级具有明显的调控作用。另外在固体薄膜状态下,正己基和正己基硫基的引入减弱了材料的结晶性,但在与J71的混合膜中载流子的平衡得到了提高。最终基于CBT-IC和SBT-IC的太阳能电池均表现出了高于BDT-IC的器件效率11.02%和11.28%。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

曲线,分子结构,器件

图4-5 BDT-IC、CBT-IC和SBT-IC的分子结构及能级计算结果4.3.3 光伏器件的表征为了进一步研究侧链取代对受体材料的光伏性能的影响，我们统一选择了 J71作为聚合物给体材料用于制备聚合物太阳能电池器件，器件结构为ITO/PEDOT:PSS/J71:受体材料/PDINO/Al。其中活性层是以氯仿为溶剂旋涂制得，PDINO 是作为电极的缓冲层。器件的制备条件经过优化后，确定器件的给体和受体在氯仿溶液中的重量比分别是 0.9:1.0（J71:CBT-IC）和 0.8:1.1（J71:SBT-IC）。在一个太阳强度的模拟太阳光谱 AM1.5G 的照明下，分别得到了基于 CBT-IC 和SBT-IC 电池器件的 J V 曲线（见图 4-6a），它们的开路电压（VOC）、短路电流（JSC）和填充因子（FF）与 BDT-IC 一起总结在表 4-2 里。可以发现，由于 SBT-IC 具有更低的 LUMO能级，基于SBT-IC器件的 VOC比基于 BDT-IC和 CBT-IC器件的低。但有趣的是，虽然 CBT-IC 具有比 BDT-IC 低的 LUMO，却拥有几乎一样的 VOC，

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