可溶液加工的芳香稠环电子受体

发布时间：2017-11-11 04:07

  本文关键词：可溶液加工的芳香稠环电子受体

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【摘要】：太阳能电池通过光伏效应将太阳能转换为电能,是当前合理利用太阳能的重要形式。相对于传统无机太阳能电池,有机太阳能电池具有成本低、重量轻、柔性、可大面积制备等优点,具有良好的发展前景。有机太阳能电池的光伏材料可分为给体材料和受体材料。目前有机太阳能电池活性层的受体材料主要是富勒烯衍生物。但是富勒烯受体材料成本较高,分离提纯较难,而且在可见光及近红外区域的吸收很弱,很难通过分子结构设计调控能级和吸收。在有机太阳能电池中,电子受体材料与电子给体材料具有同样重要的地位,但是其发展仍然要落后于电子给体材料,所以开发新型非富勒烯受体材料很有必要。本论文选取萘酰亚胺(NMI)、引达醒(IDT)和吡咯酮(DPP)等有机半导体材料单元,设计并合成了多个可溶液加工的芳香稠环非富勒烯电子受体材料,研究了它们的光学、电化学、电荷传输等基本性质及其光伏性能。主要内容及研究结果如下：1.通过打断花二酰亚胺主干,插入不同共轭程度单元(单键、噻吩、引达醒)的方法,合成三个萘酰亚胺衍生物,化合物1-3在紫外可见光区都具有较好的吸收,合适的电化学能级,随着共轭单元的增大,吸收光谱依次红移,摩尔消光系数依次增大,光学带隙依次减小,化合物的LUMO能级逐渐降低,而HOMO能级逐渐升高。将这些化合物作为电子受体材料与经典聚合物给体P3HT共混制备有机太阳能电池器件,以大共轭稠环引达醒为桥联单元的化合物3光伏性能最好,光电转化效率为2.36%。2.设计合成了一种高度平面性的稠环电子受体材料IC-C6IDT-IC,该化合物在可见光区500-800 nm范围内有强吸收光谱,摩尔消光系数高达2.4×105M-1cm-1,电子迁移率高达1.1×10-3cm2 V-1 s-1,HOMO和LUMO能级分别为-5.69 eV和-3.91 eV,和一些高性能聚合物给体能级匹配。基于化合物IC-C6IDT-IC的本体异质结有机太阳能电池,光电转化效率高达8.71%,是目前在不经过任何后处理的情况下,基于非富勒烯受体聚合物太阳能电池的效率最高值。与稠环电子受体应当具有扭曲结构的传统观念不同,该实验结果说明平面性好的分子也可以作为电子受体材料应用于有机太阳能电池中。3.合成一种基于七并引达醒单元的非富勒烯电子受体材料ITIC-Th,该材料在可见光区和近红外区有较强的吸收,具有较高的电子迁移率,能级可与窄带隙给体PTB7-Th和宽带隙给体PDBT-T1相匹配。基于PTB7-Th:ITIC-Th和PDBT-T1:ITIC-Th共混膜都具有较高的迁移率,且空穴迁移率与电子迁移率相当,可以保证高效的载流子传输。以PTB7-Th与ITIC-Th共混制备有机太阳能电池器件,光电转化效率可达8.7%。相对PTB7-Th而言,PDBT-T1有更低的HOMO能级,与ITIC-Th更互补的光谱吸收,基于PDBT-T1:ITIC-Th的有机太阳能电池光电转化效率高达9.6%,是当时所报道的基于非富勒烯受体有机太阳能电池器件效率最高值。4.以四苯基乙烯为核,吡咯酮为臂合成了三维星型电子受体材料TPE-DPP4,该分子在450-650 nm可见光区范围内有强的光谱吸收,摩尔消光系数达1.44×105M-1 cm-1。TPE-DPP4表现出准三维的分子结构,分子间相互作用力弱,有效抑制分子聚集,促进与给体的混合。化合物空间扭曲和类似各向同性的结构特点,有利于分子内的电子传输。化合物的HOMO和LUMO能级分别为-5.31 eV和-3.68 eV,可以和一些聚合物给体如P3HT等相匹配。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O625.15

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本文编号：1169724