基于BTA类非富勒烯小分子受体材料的合成与研究
发布时间：2020-08-08 23:59
【摘要】：有机太阳能电池(Organic Solar Cell,OSC)中,经典的富勒烯受体材料具有难以调控能级和吸收光谱等缺点,而有机小分子受体(SMA)材料由于其简单多样的合成和纯化方法,明确的分子量和结构,已经成为热点研究领域并引起越来越多的关注。当聚(3-己基噻吩)P3HT用作给体时,SMA至少需要满足两个基本条件:首先,SMA应该具有高的LUMO(最低空轨道)能级,可以与P3HT良好匹配,以减少潜在损失并同时促进激子解离。其次,它们的几何形状应该被精细地设计,以便在活性层中与P3HT形成适当的共混物形态。本论文旨在通过分子层面的设计,合成一系列性能优异的非富勒烯小分子材料,并对它们在OSC器件应用中的光电性能进行了表征和研究。主要内容包括基于苯并三唑(BTA),以苯并三噻吩及螺芴为分子中心单元设计合成的BTA衍生小分子材料的基本性能表征,电子结构特性以及光伏器件性能研究等。以苯并三唑(BTA)作为受体结构单元的非富勒烯SMA表现出高的VOC,而螺芴因为三维空间结构可以非常好地抑制膜中的自聚集并最终调整共混物形态的优势,可以作为中心核,因此,螺芴(SF)和苯并三唑(BTA)被认为是构建n型光伏材料的有前途的构件。本章设计了三种新型小分子受体(SMAs),命名为BTA21,BTA23,BTA27,其结构为A2=A1-D-A1=A2,其中SF和BTA分别用作中心单元D和桥联受体单元A1。另外,选择3-乙基罗丹宁,2-(3-乙基-4-氧代噻唑烷-2-亚基)丙二腈和丙二腈作为末端受体单元以调节最终SMAs的性质。P3HT:BTA21 器件最佳的 PCE值为 3.28%,其中 VOC为 1.02 V,Jsc为 5.45 mA·cm-2,FF为 0.59。以苯并三噻吩为核心,BTA为受体单元,结合两个不同的端基,合成出BTT-3BTA1和BTT-3BTA2,并对它们的光学、电化学以及器件性能进行了表征。P3HT:BTT-3BTA1器件最佳的PCE值为2.23%,其中VOC为0.89 V,JSC为4.65 mA·cm-2,FF 为 0.54。同样,以螺芴为中心核,4个BTA作为受体单元,分别与两个端基结合,合成出SF-4BTA1,和SF-4BTA2,并对其进行了相关的表征。P3HT:SF-4BTA1器件最佳的 PCE 值为 3.48%,其中 VoC 为 1.01 V,JSC为6.51 mA·cm-2,FF为 0.53。研究表明,端基对其分子间相互作用的影响很大,对其光电性能起着重要作用。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：
电池逡逑的工作原理逡逑的工作原理是通过有机半导体材料的光生伏的能量大于有机分子材料的禁带宽度时（知，＞从有机分子的最高占有轨道（ＨＯＭＯ）被激发，在分子材料的价带产生一个空穴而在导带产。但是有机分子的激发态由于库伦力作用较体和电子受体的界面处，通过给体和受体之成移动的空穴和电子。分离后的空穴和电子成光电压及光电流，即光伏效应。如图Ｌ１为以下四个步骤：光吸收产生激子；激子扩［１９］。逡逑ｌ－ｎ逡逑
的调整先后出现了单层肖特基器件、双层平面异质结器件、本体异质结器件结构逡逑等。逡逑单层肖特基器件结构（如图１．２ａ），是最早尝试的有机太阳电池器件结构，逡逑也是最简单的器件结构，即单一活性层材料构成的电池结构。由于其极弱的电子逡逑空穴分离能力，最终实现的能量转化效率远小于１％［２＼但是它作为最简单的器件逡逑结构实现了光能电能之间的转化，为后来的研宄奠定了基础。逡逑双层平面异质结器件结构（如图１．２ｂ），在单层结构上进行了优化，引进两逡逑种有机半导体（给体和受体）作为活性层材料，形成了受体层给体层构成的异质逡逑结结构薄膜器件，转化效率提高到了接近１％，是一个里程碑式的突破。但是由于逡逑其给受体界面面积有限，一些激子未达到界面前己经湮灭，使其分离效率不能进逡逑一步提高。逡逑本体异质结电池结构（如图１．２ｃ）
逦绪论逡逑代表小分子如图１．５中的ＳＭ３能量转换效率达到８．９０％［＠。逡逑引达省并二噻吩类型的小分子给体材料：引达省并二噻吩（ＩＤＴ），具有刚性的逦－逡逑梯形平面结构，以及４个可以引入烷基或者烷基芳基的位点，不但具有强烈的７１－７１逡逑堆积，具有很高的电荷迁移率，同时具有非常好的溶解性，以及较低的ＨＯＭＯ，逡逑因此，被广泛的应用于有机太阳能电池经典小分子有李永舫课题组报道的逡逑ＳＭ４（如图邋１．５）邋１５习。逡逑Ｃ４Ｈ９逡逑Ｐ８Ｈｉ７逦Ｃ８Ｈ１７逦ｊ．逡逑＾逦ｎｃ＾邋ｒｎ逦Ｖ２＂５逦ｓ＾Ｎｉ逡逑＿逦１逦ｃ４ｈ９逡逑ＳＭ１逦ＳＭ２逡逑ＮＳ＇Ｎ邋ＲｓｊＲ邋Ｎ＾＇Ｎ逡逑Ｖ逦Ｆ逡逑ＳＭ３逡逑Ｃ６ＨＪ３邋＾，＾＾３逡逑，ＣｅＨ１３邋ＣｇＨｉ３逦0＝＜＾＊ｌ逡逑Ｖ＾°逦0Ｔ＞逦0６Ｈ１３Ｃ６Ｈｉ３逡逑＾逦Ｃｓ＾ｆ邋Ｃ６Ｈ１３逡逑ＳＭ４逡逑图１．５小分子ＳＭ１－ＳＭ４的分子结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．５邋Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｓｍａｌｌ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅ邋ＳＭ１－ＳＭ４逡逑１．３．２受体材料逡逑受体材料主要包括经典的富勒q媸芴宀牧弦约敖改昕脊刈⒌姆歉焕障┚坼义虾衔锛靶》肿邮芴宀牧稀ｅ义希保常玻备焕障┦芴宀牧襄义细焕障┮蚱涔逃械慕细叩牡缱忧ㄒ坡剩牵兀欤茫蓿悖睿蓿郑郑保魑芴宀牧献钤珏义嫌τ迷诰酆衔锾裟艿绯氐敝校保担叮蓿荨Ｈ欢淳奘胃男缘母焕障┯捎诟招怨
本文编号：2786279
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：
电池逡逑的工作原理逡逑的工作原理是通过有机半导体材料的光生伏的能量大于有机分子材料的禁带宽度时（知，＞从有机分子的最高占有轨道（ＨＯＭＯ）被激发，在分子材料的价带产生一个空穴而在导带产。但是有机分子的激发态由于库伦力作用较体和电子受体的界面处，通过给体和受体之成移动的空穴和电子。分离后的空穴和电子成光电压及光电流，即光伏效应。如图Ｌ１为以下四个步骤：光吸收产生激子；激子扩［１９］。逡逑ｌ－ｎ逡逑
的调整先后出现了单层肖特基器件、双层平面异质结器件、本体异质结器件结构逡逑等。逡逑单层肖特基器件结构（如图１．２ａ），是最早尝试的有机太阳电池器件结构，逡逑也是最简单的器件结构，即单一活性层材料构成的电池结构。由于其极弱的电子逡逑空穴分离能力，最终实现的能量转化效率远小于１％［２＼但是它作为最简单的器件逡逑结构实现了光能电能之间的转化，为后来的研宄奠定了基础。逡逑双层平面异质结器件结构（如图１．２ｂ），在单层结构上进行了优化，引进两逡逑种有机半导体（给体和受体）作为活性层材料，形成了受体层给体层构成的异质逡逑结结构薄膜器件，转化效率提高到了接近１％，是一个里程碑式的突破。但是由于逡逑其给受体界面面积有限，一些激子未达到界面前己经湮灭，使其分离效率不能进逡逑一步提高。逡逑本体异质结电池结构（如图１．２ｃ）
逦绪论逡逑代表小分子如图１．５中的ＳＭ３能量转换效率达到８．９０％［＠。逡逑引达省并二噻吩类型的小分子给体材料：引达省并二噻吩（ＩＤＴ），具有刚性的逦－逡逑梯形平面结构，以及４个可以引入烷基或者烷基芳基的位点，不但具有强烈的７１－７１逡逑堆积，具有很高的电荷迁移率，同时具有非常好的溶解性，以及较低的ＨＯＭＯ，逡逑因此，被广泛的应用于有机太阳能电池经典小分子有李永舫课题组报道的逡逑ＳＭ４（如图邋１．５）邋１５习。逡逑Ｃ４Ｈ９逡逑Ｐ８Ｈｉ７逦Ｃ８Ｈ１７逦ｊ．逡逑＾逦ｎｃ＾邋ｒｎ逦Ｖ２＂５逦ｓ＾Ｎｉ逡逑＿逦１逦ｃ４ｈ９逡逑ＳＭ１逦ＳＭ２逡逑ＮＳ＇Ｎ邋ＲｓｊＲ邋Ｎ＾＇Ｎ逡逑Ｖ逦Ｆ逡逑ＳＭ３逡逑Ｃ６ＨＪ３邋＾，＾＾３逡逑，ＣｅＨ１３邋ＣｇＨｉ３逦0＝＜＾＊ｌ逡逑Ｖ＾°逦0Ｔ＞逦0６Ｈ１３Ｃ６Ｈｉ３逡逑＾逦Ｃｓ＾ｆ邋Ｃ６Ｈ１３逡逑ＳＭ４逡逑图１．５小分子ＳＭ１－ＳＭ４的分子结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．５邋Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｓｍａｌｌ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅ邋ＳＭ１－ＳＭ４逡逑１．３．２受体材料逡逑受体材料主要包括经典的富勒q媸芴宀牧弦约敖改昕脊刈⒌姆歉焕障┚坼义虾衔锛靶》肿邮芴宀牧稀ｅ义希保常玻备焕障┦芴宀牧襄义细焕障┮蚱涔逃械慕细叩牡缱忧ㄒ坡剩牵兀欤茫蓿悖睿蓿郑郑保魑芴宀牧献钤珏义嫌τ迷诰酆衔锾裟艿绯氐敝校保担叮蓿荨Ｈ欢淳奘胃男缘母焕障┯捎诟招怨
本文编号：2786279
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2786279.html
教材专著
