基于卟啉的新型光伏给体材料的设计、合成与表征

发布时间：2020-10-13 18:07

　　 相比于传统的无机晶体硅电池和薄膜电池,有机太阳能电池(OPVs)因为其生产成本低,性能良好、制备工艺简单和环境友好等优点而受人们关注。实际上,OPVs虽然经过了几十年的发展,但到目前为止,其无论是在光电转化效率还是稳定性方面仍然比不上传统的太阳能电池。为了进一步提高性能,达到更高的光电转化效率,研究者们需要设计并优化材料和器件的结构,更加深入地了解它们之间的关系,以早日实现应用。卟啉、吩噻嗪、吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BT)等都是广泛用于光电领域的有机材料,它们因具备良好的性能而受到人们关注。卟啉具有一个大的共轭结构,平面性好,电子转移能力强,S带(400-500 nm)和Q带(600-700nm)光谱响应强等特点,本文引入吩噻嗪以拓宽卟啉Q带和S带的光谱吸收;DPP成膜性好,平面性也较好,有利于拓宽材料的光谱响应范围;苯并噻二唑具有强的吸电子能力,有利于扩宽450-700 nm之间的吸收光谱,且能使光谱发生红移;本文设计合成以这三种基团为基础的有机小分子和聚合物并将其应用于有机太阳能电池,具体开展了如下几个方面的工作:1.设计合成了三个以卟啉与吡咯并吡咯二酮(DPP)为骨架的聚合物GP(1-3),这三个聚合物表现出良好的成膜性和溶解性。DPP基团的嵌入使聚合物的吸收光谱拓宽至近红外区域;卟啉上meso位烷基取代基的不同,能有效影响材料光谱吸收范围、带隙以及热稳定性。2.设计合成了一系列基于卟啉与吩噻嗪衍生物的有机小分子GM(1-3)。通过引入烷氧链和叉链,使得这些有机小分子都具有良好的溶解性;吩噻嗪的引入在一定程度上扩宽了卟啉类材料的吸收光谱,在400-600 nm和650-750 nm表现出了较强的光吸收;同时,该系列小分子失重5%时的温度(Td)均在300℃以上,具有良好的热稳定性,具有成为光伏材料的潜力。3.设计合成了一系列基于卟啉与苯并噻二唑衍生物的有机小分子GM(4-6)。通过改变卟啉meso位上取代基的烷基链来研究其对小分子性能的影响。该系列小分子在400-550 nm、600-750 nm之间表现出了较强的光谱吸收;同时,该系列小分子失重5%时的温度(Td)均在330℃以上,具有较好的热稳定性,具有成为光伏材料的潜力。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：O626;TM914.4
【部分图文】：

常规结构(a)和反转结构(b)有机太阳能结构示意图

图 1.3 双层异质结有机太阳能电池的工作原理示意图1.5 有机太阳能电池器件的主要参数路电压（Voc）太阳能电池在开路条件下的输出电压称为开路电压[19]。以本体异质结结构机太阳能电池为例，Scharber 提出了经验公式：Voc=（1/q）（HOMOD-LUMO0.3 由此，我们得知：在有机太阳能电池中，Voc由给体材料、受体材料以及电极间的功函数之间的差值决定[20]。在不考虑偶极子影响的条件下，（1/HOMOD-LUMOA）可作为 Voc的上限，所以材料的 HOMO 和 LUMO 必须匹能够得到好的开路电压。路电流 （Isc）太阳能电池在短路条件下的电流称为短路电流。短路电流与给/受体材料的吸收能力、界面修饰等有关[21]。通常我们习惯用短路电流密度（Jsc）来表

图 1.5 电子给体材料1.6.2 电子受体材料以本体异质结有机太阳能电池为例，通常是以富勒烯衍生物作为受体：特殊的球状结构、有效的电负性使其有高的电子俘获率、容易与给体材料形成相分离等都是富勒烯衍生物的优势[41-42]，而富勒烯衍生物作为受体也有缺陷：在可见光区域光谱吸收弱[43]，成本高且形态稳定性较差[44-45]，随着时间的推移，富勒烯容易出现扩散、自聚集等，在受热的情况下表现更明显[46-47]，这使它的发展应用受到了极大地限制。但是在有机太阳能电池中，受体材料与给体材料都是构成有机太阳能电池不可或缺的组成部分，它们的作用是同等重要的。当前的受体材料主要还是富勒烯的衍生物：PC60BM、PC71BM 等都是较好地电子受体，而PC60BM/P3HT 体系更是成为了经典[48]。近年来，人们都在积极地探索研究新型的非富勒烯有机小分子作为受体材料[49-51]：它们的 HOMO 和 LUMO 容易通过化
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 魏世源;孙伟海;陈志坚;肖立新;;太阳能电池效率分析[J];科学通报;2016年16期

2 狄丹;;太阳能光伏发电是理想的可再生能源[J];华中电力;2008年05期

相关博士学位论文 前1条

1 陈大正;反转有机太阳能电池器件优化与稳定性研究[D];西安电子科技大学;2015年

本文编号：2839514