基于喹喔啉的有机光伏材料的合成与性能研究

发布时间：2017-09-30 06:10

  本文关键词：基于喹喔啉的有机光伏材料的合成与性能研究

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【摘要】：有机小分子光伏材料由于具有结构确定、易于制备和提纯、易于修饰、重复性好等特点受到广泛关注。理想的光伏材料应具备宽而强的光吸收能力,合适的HOMO-LUMO能级,高载流子迁移率和较好的成膜性等特点。喹喔啉(Qx)是一种常见的强吸电子单元(A),它与给电子单元(D)偶联之后,易得到窄带系的化合物,同时它的共轭结构赋予了它良好的载流子传输性能。鉴于此,本文从分子设计的角度出发,以Qx为吸电子单元,以三苯胺(TPA)为给电子单元,同时引入脂肪族侧链和烷氧链增加分子溶解性,而且将氰基引入共轭桥键上,设计并合成了一系列D-A-D型有机小分子太阳能电池光伏材料。通过核磁共振对目标化合物的结构进行表征,并通过密度泛函理论计算、紫外-可见吸收光谱及电化学等方法研究了有机小分子材料的光物理和电化学性能。将合成的材料作为给体材料、PC61BM为受体材料制作溶液过程有机小分子太阳能电池,并测试光伏器件的性能。,测试结果表明： (1)D-A-D结构的烷氧基取代的Qx系列材料具有较低的HOMO能级,从而获得较高的开路电压(Voc),超过1 V。 (2)脂肪族侧链和烷氧链的引入能够增加分子的溶解性,但也影响分子的平面性,从而导致较低的短路电流密度(Jsc)。(3)引入双键氰基和碳碳三键能够有效降低材料的HOMO能级,从而得到较高的Voc。(4)在一系列D-A-D型的Qx材料中,TPACNTQx表现出最好的光伏性能：光电转化效率(PCE)为6.25%,Voc为0.95 V, Jsc为14.08 mA·cm-2,填充因子为47%。这组器件测试结果是目前基于Qx和TPA单元的小分子材料的最高值。本论文研究表明,材料的分子设计对于获得稳定性好、光伏效率高的有机小分子光伏材料是至关重要的。本文讨论了三苯胺对分子光伏性能的影响,比较了不同桥键的引入对材料性能的影响,分析了脂肪族侧链和烷氧链取代对分子溶解性和平面性的影响,评价了氰基基团稳定分子能级的能力。本研究对基于Qx单元的有机小分子光伏材料的设计具有较大的参考价值。
【关键词】：喹喔啉 三苯胺 小分子 有机光伏材料
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-29
• 1.1 太阳能的利用和太阳能电池的发展9
• 1.2 太阳能电池的分类9-10
• 1.3 有机太阳能电池简介10-13
• 1.3.1 有机太阳能电池的结构10-11
• 1.3.2 有机太阳能电池的工作原理11-12
• 1.3.3 有机太阳能电池的性能表征12-13
• 1.4 有机太阳能电池的设计原则13-18
• 1.4.1 有机太阳能电池受体材料13-15
• 1.4.2 有机太阳能电池给体材料的设计15-18
• 1.5 溶液过程的有机小分子给体材料18-27
• 1.5.1 有机聚合物给体材料18-20
• 1.5.2 寡聚噻吩类有机小分子给体材料20-22
• 1.5.3 三苯胺类有机小分子给体材料22-23
• 1.5.4 吡咯并吡咯二酮类有机小分子给体材料23-26
• 1.5.5 喹喔啉类有机小分子给体材料26-27
• 1.6 选题思路与研究内容27-29
• 2 实验部分29-44
• 2.1 仪器与试剂29-31
• 2.1.1 实验仪器29
• 2.1.2 实验药品29-31
• 2.2 原料的预处理31
• 2.3 有机小分子光伏材料的合成31-43
• 2.3.1 喹喔啉吸电子单元的合成31-36
• 2.3.2 三苯胺给电子单元的合成36-41
• 2.3.3 有机小分子光伏材料的合成41-43
• 2.4 BHJ光伏器件的制作过程43-44
• 3 结果与讨论44-55
• 3.1 合成与表征44
• 3.2 理论计算44-46
• 3.3 光学性质46-49
• 3.4 电化学性质49-51
• 3.5 器件测试51-55
• 结论55-56
• 参考文献56-63
• 附录A 终产物的表征63-70
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况70-71
• 致谢71-72

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本文编号：946557