苯并噻二唑和卟啉类给体小分子的设计合成及光伏性能研究

发布时间：2020-11-03 12:16

　　 随着人类现代化的快速发展,能源短缺和环境污染问题日益突出,利用太阳能发电是解决能源问题的有效途径。有机太阳电池由于具有柔性、质量轻、可溶液加工、成本低等优点近年来得到了人们的广泛重视。三元有机太阳电池由于其活性层各组分之间吸收互补,因此可以更加充分地利用太阳光,此外制备工艺也很简单,表现出了很大的商业化应用前景。卟啉因其平面性好,易修饰及吸光能力强等特点广泛应用于制备有机光伏材料,表现出了优异的光伏性能。本论文的主要工作是围绕苯并噻二唑和卟啉类给体材料的设计合成、性能研究及其在有机太阳电池中的应用展开的。在第二章中,我们以强的吸电单元2,1,3-苯并噻二唑为核,3-辛基罗丹宁作为端基,不同长度的噻吩为π桥,设计合成了三个新型的A-π-A-π-A小分子,结果表明π桥的长度对分子的能级,π-π聚集和电子推-拉效应有很大的影响。尽管这几个分子分别与PC_(71)BM和PTB7制备二元器件时效率很低,但用于制备三元器件时,基于BT2TR和BT3TR的三元器件分别取得了9.30%和9.21%的效率,相比于PTB7:PC_(71)BM的二元器件效率提高了17%和15%,表明A-π-A-π-A小分子有很大的应用前景。在第三章中,我们用苯并二噻吩二酮作为吸电单元通过炔键与卟啉环桥联,设计合成了D-A,A-D-A和D-A-D构型的三个中宽带隙的卟啉分子,系统地研究了构型的变化对分子的紫外吸收特性,电化学性能和光伏性能的影响,结果表明A-D-A构型的分子具有最强的分子内电荷转移效应和最好的光伏性能。在第四章中,我们将不同数量的氟原子引入到卟啉侧基,探讨了氟的引入对卟啉小分子的聚集、能级和吸收光谱的影响。氟原子可以有效降低分子的能级,使开路电压从0.72 V提高到了0.85 V;此外,不会减弱分子对太阳光的吸收能力。在第五章中,我们设计合成出了对太阳光吸收边限达到1000 nm的双卟啉分子,探究了分子的共轭长度对分子的聚集方式、吸收光谱和荧光光谱的影响。在保证溶解的前提下,减小吡啶的添加量和使用低功函数的阴极对器件性能有积极的影响,基于BT2PTR的器件经过SVA处理后效率提高到了5.62%,电流达到了15.02 mA cm~(-2)。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TM914.4
【部分图文】：

图 1-1 有机太阳电池的基本结构1.2.2 有机太阳电池的工作原理如图 1-2 所示，有机太阳电池的工作原理一般可分为以下四个过程：（1）激子产生。在光照条件下，活性层（给体和/或受体）吸收光子能量后会使基态的电子被激发产生跃迁即形成激子。从前线轨道理论的角度来说，电子的这种跃迁是指电子从最高占据分子轨道（HOMO）向最低未占分子轨道（HOMO）跃迁。与无机太阳电池经过光照直接产生自由移动的电子和空穴的工作机理不同，由于有机太阳电池的活性层材料分子间作用力远小于无机半导体材料，且介电常数也很小（不大于 3），受光照产生的激子不会直接发生解离而是以受束缚的空穴-电子对形式存在[26]。有机活性层对太阳光吸收能力直接决定了激子的产量，因此从材料选择上来说，需要选用对太阳光吸收光谱范围宽，吸收系数大的材料制备活性层。

扩散到 D-A 界面发生解离是指电子会转移到受体的 LUMO 能级，而空穴仍然留在给的 HOMO 能级；而对于受体中产生的激子解离是指空穴会转移到给体的 HOMO 能，而电子会继续留在受体的 LUMO 能级上。一般来说，要求给体的 LUMO 和 HOMO级要大于受体相对应的能级（一般大于 0.3 eV），这样 D-A 产生的界面电势就会大于子的结合能，从而实现激子的顺利解离。（4）电荷传输与收集。由于阴极和阳极功函数的差异，会在电池内部形成内建电场，电子和空穴在这种内电场的作用下可分别沿着连续的受体和给体相形成的通道传输到相应的电极，被电极集后产生光伏效应。为了避免电荷和空穴在传输过程中发生复合，需要活性层形成互网络结构的相分离，同时还要保证给体和受体材料都要有较高且平衡的迁移率。另外，了进一步提高电荷的传输要求阳极有较高的功函而阴极有较低的功函，这样才能形成够大的内建电场。同时要尽可能避免界面之间产生附加阻抗，需要活性层与电极之间成欧姆接触，以提高电荷收集效率[28]

图 1-3 OSCs 典型的 J-V 曲线示意图阳电池材料的发展历程类物是绿色植物构建叶绿素不可或缺的部分，在植物光合作用中发从上世纪八十年代初开始，科研工作者们就开始设计合成含有多
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本文编号：2868557