本文關(guān)鍵詞：小分子太陽能電池給體材料的合成及其高性能光伏應(yīng)用的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本論文介紹了一系列小分子太陽能電池給體材料的設(shè)計、合成以及其光伏性能,系統(tǒng)的研究了從結(jié)構(gòu)設(shè)計到最終器件性能表現(xiàn)這兩者的相關(guān)性,并基于研究結(jié)果總結(jié)了結(jié)構(gòu)-性能之間構(gòu)效關(guān)系。本文工作主要分為以下兩個部分:第一部分,設(shè)計合成了一系列基于吡咯并吡咯二酮(DPP)作為強(qiáng)缺電子核心單元(Acceptor,A1),苯并噻二唑(BT)或氟代苯并噻二唑(FBT)作為弱缺電子單元(A2),引達(dá)省(IDT)作為富電子單元(Donor,D1),正己基連結(jié)的聯(lián)二噻吩作為封端單元(D2)的窄帶隙小分子,構(gòu)建了D2-A2-D1-A1-D1-A2-D2型π-共軛骨架結(jié)構(gòu)。通過在苯并噻二唑上引入氟原子以及對混合膜的溶劑蒸汽退火處理,發(fā)現(xiàn)氟原子的引入以及退火處理顯著提高了材料(DPPBIT4F)的填充因子(甚至達(dá)到FF=71%)和光電轉(zhuǎn)換效率(PCE);為了進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)設(shè)計對最終器件性能影響,我們在引達(dá)省兩端插入噻吩環(huán),將DPP單元的噻吩替換為更缺電子的噻唑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在IDT兩端插入噻吩橋顯著提高了分子骨架的平面性,增強(qiáng)了溶液中400-600 nm光譜之間的摩爾吸光系數(shù),使器件短路電流(Jsc)及填充因子均得到明顯提高,同時將DPP中噻吩替換為噻唑又提高了器件的開路電壓(Voc)。為了更深入的研究納米尺度分子堆積、晶域以及薄膜形貌對器件性能的影響,我們對活性層進(jìn)行了溶劑蒸汽退火處理。溶劑蒸汽退火處理進(jìn)一步改善了器件活性層薄膜形貌,提高了空穴遷移率(μh)使電子/空穴遷移得到平衡,最終得到基于NDPPFBT為給體的器件PCE達(dá)到7.00%(填充因子和開路電壓分別高達(dá)0.73和0.89 V),使基于DPP的小分子成為一類新的具有高光伏性能的有機(jī)太陽能電池給體材料。第二部分,我們致力于研究延長π-共軛骨架長度和增加分子中氟原子個數(shù)對器件光伏性能的影響。我們設(shè)計并合成了一系列基于氟代苯并噻二唑(FBT)作為缺電子單元(Acceptor,A),引達(dá)省(IDT)作為富電子單元(Donor,D1),正己基連結(jié)的聯(lián)二噻吩作為封端單元(D2)的小分子及聚合物,構(gòu)建了D2-A-(T-D-T-A)n-D2型(其中T代表噻吩;小分子中n=1,2,3,4;聚合物中n≈12)擴(kuò)展π-共軛骨架結(jié)構(gòu)。隨著共軛鏈長度的擴(kuò)展,逐步提高了溶液中分子的摩爾吸光系數(shù)并使薄膜狀態(tài)下的分子紫外光譜的0-0振動峰顯著提高,這表明π-共軛骨架的延長增強(qiáng)了薄膜中分子之間的π-π堆積,特別是聚合物表現(xiàn)最明顯。然而EQE測試發(fā)現(xiàn)共軛鏈的延長致使分子在450-650 nm范圍的內(nèi)量子效率呈現(xiàn)下降的趨勢,同時由于聚集效應(yīng)較強(qiáng)致使薄膜形貌較差,聚合物分子的短路電流密度和PCE值均較低。而令人吃驚的是BIT-6F-T不管是否經(jīng)過退火處理,其短路電流密度、填充因子和PCE值都較大,特別是熱退火和蒸汽退火處理后其填充因子達(dá)到0.75,光電轉(zhuǎn)換效率也高達(dá)8.66%,這是目前基于IDT的有機(jī)太陽能電池給體材料里效率最高的分子�？傊�,我們成功開發(fā)出一系列具有優(yōu)異光伏性能的有機(jī)小分子太陽能電池給體材料。通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計來研究其對器件光伏性能的影響,應(yīng)用溶劑蒸汽退火處理進(jìn)一步深入揭示微觀尺度下分子堆積、晶域尺寸及薄膜形貌的優(yōu)化對提高光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系,對以后的給體材料的設(shè)計研究具有重要的指導(dǎo)性意義。
【關(guān)鍵詞】：小分子 有機(jī)太陽能電池 吡咯并吡咯二酮 苯并噻二唑 引達(dá)省 溶劑蒸汽退火 光電轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4;O626
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-33
• 1.1 引言12
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的工作原理和性能參數(shù)12-18
• 1.2.1 有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)12-15
• 1.2.2 有機(jī)太陽能電池的工作原理15-16
• 1.2.3 光伏性能參數(shù)16-18
• 1.3 可溶液加工的小分子有機(jī)太陽能電池給體材料的研究現(xiàn)狀及設(shè)計策略18-25
• 1.3.1 可溶液加工的小分子有機(jī)太陽能電池給體材料研究現(xiàn)狀18-21
• 1.3.2 烷基鏈修飾21-23
• 1.3.3 氟原子取代的影響23-24
• 1.3.4 二維共軛的影響24-25
• 1.4 溶劑退火和熱退火處理以及添加劑對器件的優(yōu)化25-26
• 1.4.1 溶劑退火處理25
• 1.4.2 熱退火處理25
• 1.4.3 添加劑的影響25-26
• 1.6 本論文的設(shè)計思想和研究內(nèi)容26-27
• 1.7 參考文獻(xiàn)27-33
• 第二章 基于吡咯并吡咯二酮衍生物的有機(jī)小分子給體材料的設(shè)計合成及光伏性能的研究33-52
• 2.1 引言33-35
• 2.2 實驗部分35-43
• 2.2.1 原料與試劑35-36
• 2.2.2 化合物表征所用的儀器36
• 2.2.3 化合物的合成和表征數(shù)據(jù)36-43
• 2.3 結(jié)果與討論43-48
• 2.3.1 噻吩橋的插入和DPP中噻吩替換為噻唑?qū)馕锢硇再|(zhì)的影響43-44
• 2.3.2 結(jié)構(gòu)修飾對電化學(xué)性質(zhì)的影響44-45
• 2.3.3 材料的熱穩(wěn)定性45-46
• 2.3.4 溶劑蒸汽退火處理對器件的光伏性能的影響46-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 2.5 參考文獻(xiàn)49-52
• 第三章 多氟原子取代的單分散D A型寡聚物給體材料的設(shè)計合成及光伏性能研究52-71
• 3.1 引言52-53
• 3.2 實驗部分53-60
• 3.2.1 原料與試劑53-54
• 3.2.2 化合物表征所用的儀器54-55
• 3.2.3 化合物的合成和表征數(shù)據(jù)55-60
• 3.3 結(jié)果與討論60-68
• 3.3.1 材料的熱穩(wěn)定性60-61
• 3.3.2 光物理性質(zhì)61-62
• 3.3.3 電化學(xué)性質(zhì)62-63
• 3.3.4 器件的光伏性能63-68
• 3.4 本章小結(jié)68
• 3.5 參考文獻(xiàn)68-71
• 第四章 總結(jié)和展望71-73
• 4.1 總結(jié)和展望71-72
• 4.2 參考文獻(xiàn)72-73
• 附錄 本文所涉及新化合物的譜圖73-84
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文84-85
• 致謝85-86

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本文編號：329247