非富勒烯小分子受体材料的研究及光伏应用

发布时间：2017-07-18 05:28

  本文关键词：非富勒烯小分子受体材料的研究及光伏应用

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【摘要】：富勒烯及其衍生物因具有较好的电子亲合性、高的电子迁移率和各向同性的电荷传输性能等优点成为有机太阳电池领域里占主导地位的受体。然而,其较宽的带隙、制备时提纯困难、价格昂贵、能级不易调节等问题限制了其工业化应用以及有机太阳电池光电转换效率(PCE)的进一步提高。因此,制备结构简单、合成方便、具有较宽的光吸收范围的非富勒烯受体材料显得非常重要。基于这些考虑,本论文从分子设计的角度出发,分别以异靛蓝和吡咯并吡咯二酮为吸电子单元,通过D-A作用构建了不同结构的非富勒烯小分子受体材料。具体工作有：1.设计合成了以环戊双噻吩(CPDT)为核、两边异靛蓝(ⅡD)封端的小分子受体材料CPDT(IID)2。由于合适的能级和较窄的带隙,当将它作为受体材料与聚(3-已基噻吩)(P3HT)共混制备成有机太阳电池时,产生了高达1.02 V的开路电压(VOC)和0.97%的PCE。这是首次将异靛蓝基团应用到小分子受体材料中的例子,证明了异靛蓝基团作为强吸电子基团在非富勒烯受体材料中应用的潜力。2.设计合成了以芴(F)为核、两边异靛蓝(ⅡD)封端的小分子受体材料F(ⅡD)2。基于P3HT:F(IID)2的有机太阳电池获得了较高的0.79%的PCE。进一步对F(IID)2进行分子修饰,获得了其他三种小分子受体材料：一种是在末端引入F原子(F(FIID)2),使材料的HOMO和LUMO能级同时降低了0.05 eV,有利于激子的分离；另外两种是在芴与异靛蓝中间插入一个或两个噻吩基(F(TIID)2和F(TTIID)2),降低了材料的带隙,拓宽了光谱吸收范围。但是,这三种受体材料的光伏性能均劣于F(ⅡD)2,主要原因是与P3HT相容性差,导致相分离尺寸大。3.设计合成了以苯(Ph)为核、吡咯并吡咯二酮(DPP)为臂的三种小分子受体材料Ph(DPP)2、PhDMe(DPP)2和Ph(DPP)3。由于PhDMe(DPP)2中间的核是2,5-二甲基苯(PhDMe),分子的平面性最差,因此当它与P3HT复合后,产生最小的相分离尺寸,激子分离效率和电子迁移率均高,电池的PCE最高(0.65%)该结果证明,非富勒烯受体不同的空间几何构型对有机太阳电池的性能有显著的影响。
【关键词】：有机太阳电池 非富勒烯受体 异靛蓝 吡咯并吡咯二酮
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O621.2;TM914.4
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-39
• 1.1 引言13-15
• 1.2 有机太阳电池的工作原理和器件结构15-22
• 1.2.1 有机太阳电池的工作原理15-17
• 1.2.2 有机太阳电池的主要性能参数17-19
• 1.2.2.1 开路电压(Voc)17-18
• 1.2.2.2 短路电流(Jsc)18
• 1.2.2.3 填充因子(FF)18
• 1.2.2.4 外量子效率(EQE)18-19
• 1.2.2.5 光电转换效率(PCE)19
• 1.2.3 有机太阳电池的结构19-22
• 1.2.3.1 单层肖特基电池19-20
• 1.2.3.2 双层平面异质结电池20
• 1.2.3.3 本体异质结电池20-21
• 1.2.3.4 叠层有机太阳电池21-22
• 1.2.3.5 反型器件结构及界面修饰22
• 1.3 有机太阳电池给体材料以及富勒烯类材料概述22-24
• 1.3.1 有机太阳电池给体材料22-23
• 1.3.2 富勒烯材料概述23-24
• 1.4 有机太阳电池非富勒烯类受体材料研究进展24-37
• 1.4.1 傒酰亚胺、萘酰亚胺类受体材料25-31
• 1.4.2 吡咯并吡咯烷酮类电子受体材料31-33
• 1.4.3 其他受体材料33-37
• 1.5 本论文的课题提出及意义37-39
• 第二章 以环戊双噻吩为核异靛蓝封端的小分子受体材料的合成、表征及其光伏应用39-51
• 2.1 引言39-40
• 2.2 实验部分40-43
• 2.2.1 主要原料与试剂40
• 2.2.2 仪器40
• 2.2.3 器件的制备及表征40-41
• 2.2.4 目标化合物合成41-43
• 2.3 结果与讨论43-50
• 2.3.1 CPDT(ⅡD)_2的合成与热性能43-44
• 2.3.2 CPDT(ⅡD)_2相关的光学性能44-46
• 2.3.3 CPDT(ⅡD)_2的电化学性能46
• 2.3.4 CPDT(ⅡD)_2的光伏性能46-49
• 2.3.5 活性层的载流子迁移率49-50
• 2.3.6 活性层的形貌50
• 2.4 结论50-51
• 第三章 以芴为核异靛蓝封端的小分子受体材料的合成、表征及其光伏应用51-68
• 3.1 引言51
• 3.2 实验部分51-60
• 3.2.1 主要原料与试剂51-52
• 3.2.2 仪器52
• 3.2.3 器件的制备及表征52-53
• 3.2.4 目标分子的合成53-60
• 3.3 结果与讨论60-67
• 3.3.1 F-ⅡD类化合物的合成与热力学性能60-61
• 3.3.2 F-ⅡD类化合物的光学及电化学性能61-63
• 3.3.3 F-ⅡD类化合物的光伏性能63-65
• 3.3.4 活性层的载流子迁移率65-66
• 3.3.5 活性层的形貌66-67
• 3.4 结论67-68
• 第四章 不同空间构型的DPP类小分子受体对有机太阳电池性能的影响68-83
• 4.1 引言68-69
• 4.2 实验部分69-74
• 4.2.1 主要原料与试剂69
• 4.2.2 仪器69
• 4.2.3 理论计算69-70
• 4.2.4 器件的制备及表征70
• 4.2.5 目标分子的合成70-74
• 4.3 结果与讨论74-82
• 4.3.1 PhDPP类化合物的合成与热性能74-76
• 4.3.2 PhDPP类化合物的光学性能76-77
• 4.3.3 PhDPP类化合物的电化学性能77-78
• 4.3.4 PhDPP类化合物的几何构型78-79
• 4.3.5 PhDPP类化合物的光伏性能79-81
• 4.3.6 活性层的载流子迁移率81
• 4.3.7 活性层的形貌81-82
• 4.4 结论82-83
• 主要结论与创新点83-85
• 主要研究内容与结论83-84
• 创新点84-85
• 参考文献85-97
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果97-99
• 作者简介99

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本文编号：556211