芴并噻吩基电子受体的制备和光电性质

发布时间：2020-08-04 07:51

【摘要】：富勒烯及其衍生物具有的独特的三维球状结构使其具有各向同性,有利于激子的扩散,还能够使其形成独立的聚集态利于形成给受分相,较强的电负性使其具有较强的吸电子能力。这些优异的性能使其在有机太阳能电池领域受体中一度占主导地位,但是由于其在可见光区域的吸收较弱、能级可调控性较低限制了其光电转换效率的进一步提高。而非富勒烯小分子受体则因为其具有较强的光吸收、合成方便、造价较低以及能级可调以便与不同的给体匹配等优点,成为了继富勒烯及其衍生物之后作为受体制备有机太阳能电池的又一选择,因此开发高效的新型小分子受体成为了近年来的研究热点。基于此,我们选择了芴的衍生物芴并噻吩这一研究较少的结构为中心单元,分别以氰亚甲基靛酮和3-乙基绕丹宁为端基合成了两类A-π-D-π-A型的新型受体小分子,并对它们的光电性能进行了研究,主要内容如下:1.以芴并二噻吩为核,3-乙基绕丹宁为端基,设计合成了小分子TFDTBR,它有着良好的溶解性,能很好地溶于各种常规有机溶剂。用氰亚甲基靛酮代替3-乙基绕丹宁,以辛基和己基分别为芴并二噻吩以及π桥噻吩单元上的烷基侧链得到了DICTFDT-OH,然后分别通过改变芴并二噻吩以及π桥上的侧链为2-乙基己基得到了DICTFDT和DICTFDT-OE。其中,DTCTFDT能够良好成膜,最适合作为受体来制备有机太阳能电池器件。2.TFDTBR具有较好的热稳定性,热失重5%时的温度为388℃,它在可见光区域有着强而宽的吸收,光学带隙为1.69 eV。它的较高的LUMO能级(-3.44eV)有利于器件获得一个较高的V_(oc)。当以PTB7-Th为给体材料与TFDTBR共混制作太阳能电池器件时,通过优化发现给受质量比为2:3时,制得的器件有着最佳性能,开路电压可以达到0.920 V,但是由于短路电流(12.17 mA cm~(-2))和填充因子(0.35)偏低,使得光电转换效率仅为3.95%。3.DICTFDT的光学带隙为1.67 eV,HOMO能级和LUMO能级分别为-5.56eV和-4.00 eV。当以PTB7-Th为给体材料与DICTFDT共混制备电池器件时,在给受质量比为2:3时,性能最佳,对应的开路电压为0.891 V,短路电流为12.52mA cm~(-2),填充因子为0.46,最终DICTFDT器件获得了比TFDTBR器件高的光电转换效率5.12%,主要由于它有着相对较强的电子传输能力以及载流子传输更平衡。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

过程图,有机太阳能电池,光电转换,基本结构

插的网状结构，有利于激子的解离，减少分子间的复合。体异质结结构开始被广泛的应用有机太阳能电池中，此后有机太阳能电池领域的发展主要是在此基础上围绕新的活性层吸光材料的设计以及活性层形貌优化等方面展开。2015 年，北京大学占肖卫设计出了 ITIC[22]，这种合成简单、分离容易的有机小分子材料作为受体与给体材料 PTB7-Th 在质量比为 1.5:1 时制得的电池器件获得了 6.8%的光电转换效率，显示了非富勒烯小分子材料作为受体的巨大潜力。随后，研究者将目光转向非富勒烯小分子材料作为受体制备有机太阳能电池，各种新型高效的受体材料不断地被报道，有机太阳能电池的光电转换效率不断突破。1.3 有机太阳能电池的基本特征1.3.1 有机太阳能电池的工作原理

有机太阳能电池,器件结构

能电池效率很低。双层平面异质结结构中，活性层材料分为给体材料和受体材料两层，它们形成 D-A 接触，并排列于两电极之间。与单层肖特基结构相比，它的激子解离的驱动力来源于给受体材料的 LUMO 能级差而不是功函数差，因此可以通过选择能级合适的给受体材料来调节，可以有效提高激子的解离效率，而且双层结构使得电子和空穴可以在不同的材料中运输，从而降低它们复合的几率。但是由于实际有效活性层的厚度有限，一般在 20nm 左右，不足以吸收更多的光子从而产生更强的光电流，限制了具有这类器件结构的太阳能电池的光电转换效率。

苯并噻唑,化学结构式,二苯醚,电子迁移率

BDTT 和四个 DPI 单元耦合得到的具有非平面构型的 TPB[66]，当它与 PTB7-Th共混时，在添加添加剂二苯醚的情况下效率为 8.47%，短路电流高达 18.20 mAcm 2，但是不添加二苯醚，由于电子迁移率较低，效率只有 7.03%，延伸共轭长度并拓宽平面结构可以获得高的电子迁移率。

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