基于噻吩或噻吩并芳基单元的D-A型小分子和聚合物光伏材料的合成及性能研究

发布时间：2020-08-14 07:06

【摘要】：经济社会的发展离不开能源,在化石能源日益匮乏和环境亟待保护的双重制约下,能源和环境问题已成为全球急需解决的重点和难点问题。太阳能具有取之不尽、用之不竭,安全、无污染、没有地域限制等优势,已成为世界各国新能源研究的热点。其中,将太阳能转换成电能的太阳能电池技术是近年来世界各国太阳能开发与应用的重点研究方向。有机太阳能电池(OSCs)由于具有材料选择范围宽、结构易调节、制备工艺简单、器件易大面积柔性化等优点,已成为太阳能电池研究与发展的主要方向,并获得飞速的发展。本论文简单阐述了有机太阳能电池的发展历程,系统地归纳了有机小分子和聚合物给体材料以及非富勒烯受体材料的研究现状。针对目前有机太阳能电池高转化效率给体材料种类有限、分子结构与性能之间的关系尚不清晰等问题,设计合成了系列基于噻吩或噻吩并芳基单元的D-A型有机小分子和聚合物太阳能电池给体材料,并表征了有机小分子光伏给体材料和聚合物单元的分子结构,研究了目标光伏材料的光物理、电化学、电荷传输性能,利用理论计算模拟了目标化合物的分子结构和轨道能级,研究了目标光伏材料在溶液加工型本体异质结太阳能电池器件(OPV)中的光伏性能。揭示了分子结构与材料光伏性能的关系,筛选获得了性能优良的给体小分子和聚合物材料。本论文的研究内容如下:1)设计合成了基于吡咯并吡咯二酮(DPP)与噻吩并吡咯二酮(TPD)双受体单元、具有D(A-A')_2结构的有机小分子给体材料。通过对比相应只含强受体DPP单元的A-D-A型小分子,系统地研究了弱受体单元TPD的引入对小分子光谱吸收、电化学能级、分子平面性以及光伏性能的影响。其中D(A-A')_2型分子具有更宽的光谱吸收、更低的LUMO能级。基于BDTT(TPD-DPP)_2小分子光伏器件的光电转换效率(PCE)达到了4.25%,短路电流(J_(sc))为10.08 m A/cm~2。2)设计合成了基于引达省并二噻吩(IDT)为中心给体单元,苯并噻二唑(BT)或氟取代苯并噻二唑(DFBT)为受体单元,3-位连接咔唑为末端芳基单元的D(A-Ar)_2型有机小分子给体材料,系统地研究了末端Ar基团对小分子自组装和堆积行为以及光伏性能的影响。其中含氟原子取代的小分子IDT(DFBT-3Cz)_2显示出较好的光伏性能,其BHJ-OPV器件的PCE达到了5.99%,其J_(sc)、开路电压(V_(oc))和填充因子(FF)分别为10.59 m A/cm~2、0.95 V和59.58%。3)以喹喔啉和异靛蓝为双受体A1和A2单元,连噻吩(2T)或三噻吩(3T)为给体单元设计合成了一系列具有D-A_1-D-A_2型窄带隙聚合物给体材料,系统地研究了给体噻吩单元长度以及氟原子取代对聚合物性能的影响。结果显示,延长给体长度可以有效的拓宽聚合物的吸收光谱,氟原子的引入可以降低电子最高占有轨道(HOMO)能级。给体单元为3T以及含氟原子取代的聚合物P3TQTI-F光伏性能最好,器件的PCE值达到了7.0%,J_(sc)、V_(oc)和FF分别为15.49 m A/cm~2、0.67 V和67.4%。4)设计合成了一种新型的弱吸电子受体单元:苯并二噻吩-2,6-二羧酸酯(V-BDTC),合成了一系列基于该受体单元和不同给体D单元的D-A型宽带隙聚合物光伏材料。系统地研究了聚合物的光物理、电化学、分子平面性以及光伏性能。研究表明:V-BDTC本身的弱吸电子性质赋予了该类聚合物具有较宽的光学带隙和较低HOMO能级特征。结果显示以二维苯并二噻吩(BDTT)为给体单元的聚合物PV-BDTC2具有较好的光伏性能,其PCE值达到了7.49%,V_(oc)高达1.03V。5)设计合成了茚并噻吩(IT)和噻吩并苯并异吡喃(TC)的不对称给体单元,以该类不对称单元为给体D单元,苯并噻二唑或含氟取代的苯并噻二唑为A单元合成了一系列具有不对称结构的D-A型聚合物光伏给体材料。结果表明:基于茚并噻吩单元的聚合物具有很好溶解性和电荷传输性能,其中聚合物PIT2FBT(n-Do)的PCE高达9.23%,J_(sc)、V_(oc)和FF分别为13.63 m A/cm~2、0.90 V和75.2%。相比于IT类聚合物,基于TC单元的聚合物具有更宽的吸收光谱和更好的分子平面性,基于PTC2FBT的聚合物BHJ器件在不做任何优化处理时,PCE也达到了9.06%,J_(sc)、V_(oc)和FF分别为15.3 m A/cm~2、0.85 V和69.7%。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4;O626
【图文】：

并且实现了商品化生产[1-2]；2) 由光敏电极和液态电解质构成的染料敏化太阳能电池(DSSC)，其 PCE 值最高为 12%左右[3-4]，3) 以有机共轭分子为光敏化材料的有机太阳能电池 (OSCs)，目前 PCE 值也突破了 13%[5-7]。4) 钙钛矿太阳能电池，近几年来，新型的钙钛矿太阳能电池的 PCE 达到了 20%[8-11]。无机太阳能电池因其制备成本高、加工过程能量损耗大、废弃产品造成环境污染等问题，一定程度上限制了其推广与应用。染料敏化太阳能电池，其液态的电解质增大了器件制备难度，且具有一定毒性、存在严重的重金属污染等缺点。钙钛矿太阳能电池尽管其光电转换效率高，近几年来成为研究热点，然而其器件制备复杂、性能重复性差且使用寿命低，也将制约其广泛应用。相比于以上几种太阳能电池，有机太阳能电池则具有以下几个优点[12-14]：1)材料来源广、有机共轭分子千变万化、种类繁多，且结构易于调节，可通过分子结构设计来改善器件性能；2) 质量轻制备成本低；3)可通过溶液加工旋涂的方法或利用印刷和打印技术进行大规模生产，实现大面积柔性太阳能电池器件的制作。有机太阳能电池轻、薄、可大面积柔性制备等特点，赋予了这类电池在便携式太阳能充电设备和发电式窗户、建筑外墙等方面具有非常广阔的应用前景 (如图 1.1 所示)，因此，有机太阳能电池受到科研工作者越来越多的研究和重视。

有机太阳能电池的发展历程机太阳能电池经历了近半个世纪的发展历程，最初的太阳能电池s 和 Calvin 等人于 1958 年提出，器件为单一的同质活性层结构[15]材料，由于较大的激子束缚能，不易分离，有限的扩散激子距离使收集，电池器件效率非常低，有机太阳能电池在此时期也并未受到986 年，美国柯达公司邓青云博士(C.W.Tang) 将酞菁铜络合物 (Cu基傒类衍生物 (PV) 分别作为电子给体材料(p-型) 和电子受体材料 1.2 所示)[16]。模仿无机异质结太阳能电池双层膜结构，制备双层太，光电转化效率达到 1%左右。这是一个成功的思路，为有机太阳拓了一个新的方向，时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机究的重点之一。

图 1.3 本体异质结太阳能电池的器件结构示意图人们对有机共轭光伏材料开发、器件结构和制备工艺的不断优池发展迅速。从最初的聚噻吩衍生物 (P3HT) 到后来的 D-A 型光活性层给体材料得到迅速发展，种类千变万化，器件的 P；另一方面器件制备工艺不断进步，从最开始的正型器件，发叠层器件；对活性层的优化方法也出现多元化，以及界面修饰本体异质结太阳能电池(BHJ-OPV)呈现出了前所未有的发展，小分子 BHJ-OPV 的能量转化效率分别达到了 11.7%[5]和 11.3 的 PCE 也已经突破了 12%[20]，这标志着有机太阳能电池距离近了一步。

本文编号：2792686