螺芴为核的吡咯并吡咯二酮类非富勒烯型受体材料的合成及光伏应用

发布时间：2017-08-09 17:07

  本文关键词：螺芴为核的吡咯并吡咯二酮类非富勒烯型受体材料的合成及光伏应用

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【摘要】：富勒烯及其衍生物由于较高的电子迁移率和与给体良好的相分离效果等优点在有机太阳能电池受体材料中一直占据主导地位。然而,鉴于它们提纯困难、价格昂贵、在紫外可见光区域的光吸收不强和能级相对固定等缺点,限制了其在光伏领域的大面积商业化应用。因此,科学家逐渐将目光投向了具有电子传传输性能的非富勒烯型小分子受体材料。由于有机合成方法及基团的多样性,可以实现能级和吸收光谱的灵活调控,此类小分子受体的研究正日益受到人们的关注。大量的研究证实,非平面结构的小分子受体有利于抑制自身聚集及结晶,并易于与给体材料形成良好的相分离,从而大大改善光伏性能。近年来,吡咯并吡咯二酮(DPP)类的小分子受体材料由于具有相对较高的LUMO能级和强的吸光性能,引起了科学家的广泛兴趣。然而,绝大部分光电效率在2%以下。基于这些考虑,我们在DPP类小分子受体中引入非平面结构的螺芴为核,设计合成了分别以单键和三键相连的两个系列新型非富勒烯型DPP类小分子受体材料SF-DPP和SF-A-DPP。为了详细考察DPP单元中烷基链对材料的结晶和与P3HT的共混膜的影响,我们分别在两个系列中,在DPP上以不同的烷基链枝接,即异辛基(EH),正辛基(C8H17)和正十二烷基(C12H25),共得到六个不同烷基修饰的分子,即SF-DPP(SF-DPPEH,SF-DPPC8和SF-DPPC12)和SF-A-DPP(SF-A-DPPEH,SF-A-DPPC8和SF-A-DPPC12)。研究表明,两个系列的小分子受体的光谱和电化学性能相差不明显。相对于SF-A-DPP系列,SF-DPP系列的结晶性能和与给体材料(P3HT)的相分离效果要好,导致其光伏性能更优越。而对这两个系列的分子而言,烷基链对他们的性能也有明显的影响:异辛基因为具有一定的位阻,能一定程度上阻碍其本身的结晶,带有直链的烷基的更容易结晶。但是,P3HT/SF-DPPEH形成的相分离(10-20 nm)最好,因此它的光伏性能比其他两个(P3HT/SF-DPPC8和P3HT/SF-DPPC12)要好很多。经过就简单地120°退火10min,P3HT/SF-DPPEH光电转化效率能达到3.63%。目前文献报道的以P3HT为给体材料最高的效率为4.1%。从以上可以看出,对DPP类小分子受体材料引入螺芴结构,能有效地改善其与P3HT的共混膜的形态,从而大大提高器件的光伏性能。
【关键词】：有机太阳能电池 非富勒烯型受体 螺芴 吡咯并吡咯二酮
【学位授予单位】：杭州师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O626.13;TM914.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-41
• 1.1 引言11-13
• 1.2 有机太阳能电池简介13-17
• 1.2.1 有机太阳能电池器件结构13-14
• 1.2.2 有机太阳能电池的工作原理14-16
• 1.2.3 有机太阳能电池的主要参数16-17
• 1.3 有机太阳能电池小分子受体材料17-38
• 1.3.1 富勒烯类小分子受体材料17-25
• 1.3.1.1 PCBM17-19
• 1.3.1.2 苯基替换的PCBM19-21
• 1.3.1.3 桥联原子替换的PCBM21
• 1.3.1.4 酯基修饰的PCBM21-23
• 1.3.1.5 多加成修饰的PCBM23-25
• 1.3.2 非富勒烯型小分子受体材料25-38
• 1.3.2.1 傒酰亚胺、萘酰亚胺类26-32
• 1.3.2.2 荧蒽稠环酰亚胺类32
• 1.3.2.3 吡咯并吡咯二酮衍生物32-35
• 1.3.2.4 苯并噻二唑类35-36
• 1.3.2.5 其他结构受体材料36-38
• 1.4 本文立题思想及意义38-41
• 第二章 螺芴为核的DPP类小分子受体材料的合成与表征41-59
• 2.1 引言41
• 2.2 化学试剂及纯化41-43
• 2.2.1 化学试剂41-42
• 2.2.2 溶剂的纯化42-43
• 2.3 测试仪器43-45
• 2.4 关键中间体的合成与表征45-51
• 2.4.1 四乙炔基螺芴(SF-A)和螺芴四硼酸酯(SF-B)的合成45-46
• 2.4.2 单溴取代吡咯并吡咯二酮(Br-DPP)的合成46-47
• 2.4.3 关键中间体的合成讨论与表征47-51
• 2.5 SF-A-DPP和SF-DPP的合成与表征51-58
• 2.5.1 SF-A-DPP和SF-DPP的合成51-54
• 2.5.2 SF-A-DPP和SF-DPP的合成讨论与表征54-58
• 2.6 本章小结58-59
• 第三章 以螺芴为核的DPP类小分子受体材料的性能59-83
• 3.1 几何构型59-62
• 3.2 光学性能62-64
• 3.3 电化学性质64-67
• 3.4 热力学性质67-69
• 3.5 光伏器件的制备与性能69-74
• 3.5.1 光伏器件的制备69
• 3.5.2 器件的优化及性能69-74
• 3.6 器件结果讨论与分析74-82
• 3.6.1 共混膜的紫外光谱74-75
• 3.6.2 外量子效率75-76
• 3.6.3 薄膜荧光76-78
• 3.6.4 电子迁移率78-79
• 3.6.5 光敏层的形态79-82
• 3.7 本章小结82-83
• 第四章 全文总结与展望83-85
• 参考文献85-99
• 附录99-105
• 硕士期间研究成果105

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本文编号：646362