TIPS基噻并苯类电子受体材料的合成及性能研究

发布时间：2020-07-23 00:16

【摘要】：有机太阳能电池因其具有柔性、半透明、易于大面积印刷制备等优点,近年来在科研界引起了广泛关注。活性层材料作为有机太阳能电池研究的关键和基础,在早期的研究主要是基于聚合物给体材料的设计合成,近期基于可溶液处理的小分子有机太阳能电池迅速成为有机太阳能电池研究的热点之一,并且已经展现出巨大的发展潜力。本论文基于4,8-双(三异丙基硅乙炔基)苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT-TIPS),5,10-双(三异丙基硅乙炔基)二噻并[2,3-d:2′,3′-d′]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(DTBDT-TIPS)两种结构单元,合成了六种小分子受体材料;基于萘二酰亚胺(NDI)结构单元合成了一种聚合物受体材料,并分别对其结构和性能进行了表征,主要内容如下:第二章,将1-溴-N,N'-双(2-己基癸基)傒-3,4,9,10-四甲酸二酰亚胺分别与BDT-TIPS和DTBDT-TIPS通过Stille偶联反应合成了两种有机小分子BDTTIPS-PDI和DTBDTTIPS-PDI。它们的光学带隙分别为1.87 e V和1.72 e V,最高占有分子轨道(HOMO)能级EHOMO分别为-6.12 e V和-5.94 e V,最低未占有分子轨道(LUMO)能级ELUMO分别为-4.25 e V和-4.22 e V。以聚合物PBDT-DTNTC6为给体材料,小分子BDTTIPS-PDI和DTBDTTIPS-PDI分别作为受体材料制备有机太阳能电池器件,当PBDT-DTNTC6:BDTTIPS-PDI质量比为1:2时,经过优化之后器件的能量转换效率最高,为2.02%,其开路电压(Voc)为0.78 V,短路电流(Jsc)为5.52 m A/cm2,填充因子(FF)为47.15%。第三章,将N-(2-乙基己基)-4-溴-1,8-萘酰亚胺和N-(2-乙基己基)-4-(5-溴噻吩-2基)-1,8-萘酰亚胺分别与BDT-TIPS和DTBDT-TIPS通过Stille偶联反应合成了四种有机小分子受体材料BDTTIPS-NPI、BDTTIPS-T-NPI、DTBDTTIPS-NPI和DTBDTTIPS-T-NPI。它们的光学带隙分别为2.36 e V、2.19 e V、2.26 e V和1.95 e V,EHOMO分别为-5.99 e V、-5.73 e V、-5.86 e V和-5.51 e V,ELUMO分别为-3.63 e V、-3.54 e V、-3.60e V和-3.56 e V。将2,6-双(三甲基锡基)-4,8-双[(5-(2-丁基辛基)硫基)噻吩-2-基]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩和4,7-双(5-溴噻吩-2-基)-5,6-二氟-2-(2-己基癸基)-2H-苯并[d][1,2,3]三氮唑通过Stille偶联反应合成了聚合物给体材料PBDTTSC12-FTAZ。以聚合物PBDTTSC12-FTAZ为给体材料,分别与四种小分子受体材料以给体受体质量比1:1共混后测试了光致发光特性,结果表明,聚合物给体PBDTTSC12-FTAZ在掺杂了不同的小分子受体后都出现了荧光淬灭现象,这表明该体系可以作为有机太阳能电池的活性层材料,器件数据有待进一步优化。第四章,将5,5'-双(三甲基锡)-2,2'-(2,3-二氟-1,4-亚苯基)二噻吩和2,6-二溴萘-1,4,5,8-四羧酸-N,N'-双(2-辛基十二烷基)萘二酰亚胺通过Stille偶联反应合成了聚合物PNDI-TBF。聚合物的光学带隙为1.70 e V,EHOMO和ELUMO分别为-6.27 e V和-4.45 e V。以聚合物PNDI-TBF作为受体,聚合物PBDTTSC12-FTAZ作为给体制备全聚合物太阳能电池器件,当PPBDTTSC12-FTAZ:PNDI-TBF质量比为2:1时,器件的能量转换效率达到3.09%,其开路电压为0.91 V,短路电流密度为7.88 m A/cm2,填充因子为43.02%。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O626;TM914.4
【图文】：

有机太阳能电池,结构示意图

c.本体异质结结构图 d.叠层器件结构图图 1.1 有机太阳能电池结构示意图Figure 1.1 Schematic diagram of the structure of organic solar cells体异质结器件本体异质结结构是将给体材料与受体材料共溶于有机溶剂中，通过旋涂等方法给受体相互分散、相互渗透的互穿网络连续相活性层结构，也是目前应用最为件结构。该结构器件有效缩短了激子的传输距离，减少了激子在扩散过程中的，从而使其获得了较高的电流和能量转换效率[18]。层器件叠层器件结构是利用串联的方式将两个或多个子电池上下叠加起来从而提高有能电池的能量转换效率。由于其制备工艺较为复杂，目前应用还比较有限[19]。2 有机太阳能电池工作原理有机太阳能电池的工作原理如图 1.2 所示。在太阳光的照射下，当太阳光透indium-tin oxide, 氧化铟锡)电极照射到活性层上时，构成光敏活性层的给体材

有机聚合物,太阳能电池,工作原理,有机太阳能电池

发生电子-空穴对的分离(如图1.2b)。电子转移到受体材料的 LUMO 能级上、空穴保留在给体材料的 HOMO(the highestoccupied molecular orbital，最高占有分子轨道)上(如图 1.2c)。最后在由正负极材料功函差所产生的内建电场作用下，电子沿受体材料移向负极，空穴沿给体材料移向正极，空穴和电子分别被阳极和阴极收集形成光电流和光电压，即产生光生伏打效应(如图 1.2d)。图 1.2 有机聚合物太阳能电池工作原理Figure 1.2 The working principle of organic polymer solar cells1.2.3 有机太阳能电池的性能参数表征有机太阳能电池性能的主要参数有：(1) 开路电压 VOC(Open Circuit Current)开路电压为有机太阳能电池正负极断路时的电压，即图 1.3 中横坐标轴与 J-V 曲线的交点处横坐标的数值，单位为伏特(V)。对于本体异质结型太阳能电池，VOC通常由给体材料的 HOMO 和受体材料的 LUMO 的能级差成线性关系。此外，VOC还受很多因素影响，除了受使用的材料的能级的影响[21-23]

有机太阳能电池,发展过程,代表性,材料

兰州交通大学硕士学位论文986 年，邓青云等[29]用铜酞菁(CuPc)、苯并咪唑傒酰亚胺(PV)作为 p 型和 n 型半备了双层异质结有机太阳能电池，能量转换效率为 1%，成为了当时有机太阳究的重大突破。992 年，2000 年诺贝尔化学奖获得者 Heeger[30]研究组发现，激发态的电子能够 MEH-PPV 转移到富勒烯 C60分子，可发生光诱导超快电荷转移。995 年，Heeger 课题组的俞刚等[31]提出了本体异质结(Bulk heterojunction, BHJ他们以 MEH-PPV 作为给体材料，PC61BM 为受体材料相混合，制备了结构EH-PPV : PC61BM/Ca 的聚合物太阳能电池，器件转换效率达 2.9%，与活性层H-PPV 的器件相比，能量转化效率提高了 2 个数量级，这一重要发现在聚合物池发展史上具有重要意义。

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