【摘要】：本論文簡要地介紹了本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)型有機太陽能電池(OSCs)的結(jié)構(gòu)和工作原理,并著重介紹了 BHJOSCs光活性層中高性能電子給體材料和電子受體材料的研究進展及設(shè)計策略。在BHJ OSCs中,光活性層材料吸收光子的能力、能級、溶解性、聚集態(tài)、相形貌和載流子遷移率等都會對器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)產(chǎn)生重要影響。為此,本論文從調(diào)控電子給體材料的吸收光譜、能級、溶解性、共混微相分離結(jié)構(gòu)和載流子遷移率等方面出發(fā),設(shè)計并合成了一系列以苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)為推電子結(jié)構(gòu)單元(D)、噻吩取代異靛為拉電子結(jié)構(gòu)單元(A)的共軛聚合物以及兩種以二氟聯(lián)噻吩為核,噻吩取代異靛為兩臂的小分子電子給體材料。并采用熱重分析(TGA)、紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、循環(huán)伏安法(CV)、廣角X射線粉末衍射(WAXRD)等分析方法表征了所合成的光活性層材料的熱穩(wěn)定性、光物理性質(zhì)、電化學(xué)性能和聚集態(tài)。最后,以這些材料制備了 BHJOSCs器件,并探討了其結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。1.設(shè)計并合成了兩種基于3,3'-二氟-2,2'-二聯(lián)噻吩為中心核、噻吩取代異靛為兩臂的A-D-A型小分子給體材料。并研究了單噻吩取代(TBIG)和雙噻吩取代異靛(DTIG)對小分子的光物理性質(zhì)、電化學(xué)性能以及分子聚集態(tài)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,基于單噻吩取代異靛的小分子S-TBIG具有較低的最高成鍵分子軌道能級、更高的載流子遷移率、更合適的共混膜形貌。故其OSCs表現(xiàn)出更高的PCE值2.19%,對應(yīng)的開路電壓Voc為0.69 V、短路電路密度Jsc為6.50 mA cm-2、填充因子FF為48.48%。2.設(shè)計并合成了兩種基于BDT為D單元,單噻吩取代異靛為A單元且位于聚合物共軛側(cè)鏈的二維共軛聚合物PBDT-TBIG和PBDTT-TBIG。研究了推電子結(jié)構(gòu)單元分別引入烷氧基(BDT)和噻吩烷基側(cè)鏈(BDTT)對其光伏性能的影響。研究結(jié)果表明:以單噻吩取代異靛作為共軛聚合物側(cè)鏈,可有效降低聚合物的HOMO能級到-5.32 eV以下,將噻吩取代異靛基聚合物的OSCs的Voc值提高至大于0.85 V�；谕檠趸〈鶥DT作為D單元,單噻吩取代異靛作為A單元的聚合物PBDT-TBIG具有更高的載流子遷移率、更小的π-π堆積距離、更合適的共混膜形貌,故其OSCs表現(xiàn)出最高的PCE值5.87%(Jsc=11.81 mAcm-2,Voc=0.85 V,FF=58.28%),這高于文獻報道的噻吩取代異靛基聚合物的光伏性能。
【圖文】：

逡逑圖１．１顯示了該異質(zhì)結(jié)電荷分離過程的能量簡化圖。（１）當(dāng)給體吸收光子時，逡逑電子首先被激發(fā)進而穿過從ＨＯＭＯ到ＬＵＭＯ的帶隙，形成激子。（２）如果給逡逑體和受體的ＬＵＭＯ能級（ＡＥｕｊＭＯ）之間的差大于激子結(jié)合能，，則該激子向給體－逡逑受體界面擴散，其中電子向受體材料的ＬＵＭＯ轉(zhuǎn)移。（３）類似地，對于在受體逡逑上形成的激子，如果ＨＯＭＯ能量之間的能量差（ＡＥｈｏｍｏ）足夠，則可以發(fā)生向逡逑給體的空穴轉(zhuǎn)移。從這個弱束縛電荷轉(zhuǎn)移（ＣＴ）狀態(tài)開始，可以產(chǎn)生自由電子逡逑和空穴，然后它們可以轉(zhuǎn)移向它們各自的電極。然而，激子能在成為自由電荷之逡逑前可以在異質(zhì)結(jié)處重新結(jié)合（孿生重組），或者有選擇的與其他自由電荷重新結(jié)逡逑合（非孿生結(jié)合）

逡逑圖１．１顯示了該異質(zhì)結(jié)電荷分離過程的能量簡化圖。（１）當(dāng)給體吸收光子時，逡逑電子首先被激發(fā)進而穿過從ＨＯＭＯ到ＬＵＭＯ的帶隙，形成激子。（２）如果給逡逑體和受體的ＬＵＭＯ能級（ＡＥｕｊＭＯ）之間的差大于激子結(jié)合能，則該激子向給體－逡逑受體界面擴散，其中電子向受體材料的ＬＵＭＯ轉(zhuǎn)移。（３）類似地，對于在受體逡逑上形成的激子，如果ＨＯＭＯ能量之間的能量差（ＡＥｈｏｍｏ）足夠，則可以發(fā)生向逡逑給體的空穴轉(zhuǎn)移。從這個弱束縛電荷轉(zhuǎn)移（ＣＴ）狀態(tài)開始，可以產(chǎn)生自由電子逡逑和空穴，然后它們可以轉(zhuǎn)移向它們各自的電極。然而，激子能在成為自由電荷之逡逑前可以在異質(zhì)結(jié)處重新結(jié)合（孿生重組），或者有選擇的與其他自由電荷重新結(jié)逡逑合（非孿生結(jié)合）
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O626;TB34

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本文編號：2630425