含烯鍵和炔鍵的有機小分子給體材料的設(shè)計、合成及其在有機太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：有機太陽能電池(OPV)因為具有重量輕、大面積低成本加工和可實現(xiàn)柔性光電轉(zhuǎn)化器件的巨大潛力而成為研究的熱點。特別是對于可溶液加工的有機小分子給體材料,因其具有易裁剪、結(jié)構(gòu)明確和批次重復(fù)性能好的優(yōu)點而越來越受到人們的關(guān)注。本論文研究了一系列基于二噻吩基吡咯并吡咯二酮(DT-DPP)單元和烯鍵/炔鍵的有機共軛小分子給體材料的合成及其光伏性能。選擇烯鍵或炔鍵作為π橋具有很多的益處,比如i)烯鍵或炔鍵均可以有效地緩解相鄰芳香單元之間的空間位阻,而且炔鍵流動的柱狀電子云特性,使之對分子骨架構(gòu)象的變化不敏感;ii)因為構(gòu)成炔鍵的碳原子是sp雜化,使得炔鍵具有弱吸電性,從而可以降低HOMO能級;iii)根據(jù)以上的設(shè)計,在材料的合成過程中,可以盡可能地避免使用對人體有害的錫試劑和危險的鋰試劑。本文還詳細(xì)討論了相關(guān)分子型給體的光吸收、形貌、空穴遷移率以及在光伏器件中的性能。目前的結(jié)果對于小分子有機太陽能電池的進一步發(fā)展具有一定的指導(dǎo)作用。1)首先,我們合成了兩個含烯鍵的新結(jié)構(gòu)單元:4-氟苯乙烯基噻吩(4FBVT)和2-(1-(4-氟苯基)-2,2-二苯基乙烯基)噻吩(4FBDBVT)。在合成4FBVT時,可以通過重結(jié)晶的方法方便地將E型異構(gòu)體提純出來。分別通過Stille偶聯(lián)和C-H活化芳基反應(yīng)兩種方法,合成了以這兩個單元作為供電性(D)端基、DT-DPP為吸電性(A)核的D-A-D型分子DPP(4FBVT)2和DPP(4FBDBVT)2,而且在基于DPP(4FBVT)2為給體的本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)電池中,因其具有更高的平面性,取得約2.8%的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE),遠高于DPP(4FBDBVT)2。2)其次,利用炔鍵將3-烷基噻吩連接至9,10-蒽基的一邊,再以炔鍵為π橋與DT-DPP偶聯(lián),連續(xù)通過Sonogashira反應(yīng)制備了D-A-D型的小分子給體材料DT-DPP(AAn AT)2,在材料的合成的過程中避免了使用鋰試劑和錫試劑。并且該材料在簡單的OPV器件(ITO/PEDOT:PSS/DT-DPP(AAn AT)2:PC61BM/Al)表征中,在不需要使用溶劑添加劑和溶劑蒸汽退火的工藝條件下,取得約為4.4%的PCE。3)然后,在分子DT-DPP(AAn AT)2的基礎(chǔ)上,在給電子單元與DT-DPP之間增加“苯乙炔基”作為π橋,同時在DPP上的引入更長的烷基鏈,從而合成了新分子C12DPP-(APh AAn T)2。我們發(fā)現(xiàn)“苯乙炔基”會在削弱給電子單元-吸電子單元之間的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng),降低了HOMO能級。將該材料作為給體材料,在以PC61BM為受體的OPV器件中,在不需要使用溶劑添加劑和溶劑蒸汽退火的工藝條件下,取得約5.2%的PCE,并且開路電壓(VOC)得到了提高;同時,器件能取得約70%的填充因子(FF),是目前報道的DPP類小分子給體材料中FF的最高值。4)最后,我們設(shè)計并合成了含有炔鍵的具有雙DPP結(jié)構(gòu)的分子給體Ph(AAn ATDPP)2,發(fā)現(xiàn)這種雙DPP結(jié)構(gòu)的引入可以增強光吸收,以該材料作為給體可以大幅度提高短路電流(JSC)。在BHJ結(jié)構(gòu)的OPV器件中,可以取得5.0%的PCE,其中JSC可達13.53 m A cm-2。 【關(guān)鍵詞】：有機太陽能電池 小分子 烯鍵 炔鍵 吡咯并吡咯二酮
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 緒論14-40
• 1.1 前言14-15
• 1.2 有機薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)、工作原理和主要參數(shù)15-18
• 1.2.1 有機薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)15-16
• 1.2.2 有機薄膜太陽能電池的工作原理16
• 1.2.3 有機薄膜太陽能電池的主要參數(shù)16-18
• 1.3 有機小分子給體材料的總體設(shè)計思路18-19
• 1.4 小分子給體材料進展19-27
• 1.4.1 以吸電子單元為端基的聯(lián)噻吩類小分子給體19-22
• 1.4.2 以苯并二噻吩(BDT)為核的小分子給體22-26
• 1.4.3 以二噻吩并噻咯(DTS)為核的小分子給體26-27
• 1.5 基于烯鍵為鍵橋的小分子給體27-30
• 1.5.1 以烯鍵為鍵橋的線性給體分子28-30
• 1.5.2 以烯鍵為鍵橋的星形給體分子30
• 1.6 基于炔鍵為鍵橋的小分子給體30-38
• 1.6.1 以蒽炔為核的給體分子31-34
• 1.6.2 以苯并噻二唑為核的含炔鍵的給體分子34-35
• 1.6.3 以吡咯并吡咯二酮為核、炔鍵為鍵橋的給體分子35-37
• 1.6.4 以吡咯并吡咯二酮為端基、炔鍵為鍵橋的給體分子37-38
• 1.7 本論文的研究內(nèi)容與創(chuàng)新之處38-40
• 1.7.1 本論文的研究內(nèi)容38-39
• 1.7.2 本論文的創(chuàng)新之處39-40
• 第二章 以烯鍵為 Π 橋的吡咯并吡咯二酮類分子型給體的合成與性能研究40-62
• 2.1 引言40-41
• 2.2 實驗部分41-49
• 2.2.1 原料與試劑41-42
• 2.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器42-43
• 2.2.3 材料的合成43-48
• 2.2.4 有機光伏電池器件的制備及性能測試48
• 2.2.5 單空穴器件的制備和性能測試48-49
• 2.3 結(jié)果與討論49-60
• 2.3.1 化合物的合成與表征49-55
• 2.3.2 化合物的光學(xué)和電化學(xué)氧化性質(zhì)55-57
• 2.3.3 化合物的熱學(xué)性質(zhì)57
• 2.3.4 化合物的空穴遷移率測試57-58
• 2.3.5 化合物的光伏器件性能58-60
• 2.3.6 分子構(gòu)型的理論模擬60
• 2.5 本章小結(jié)60-62
• 第三章 以炔鍵為 Π 橋的吡咯并吡咯二酮類分子型給體的合成與性能研究62-80
• 3.1 引言62
• 3.2 實驗部分62-67
• 3.2.1 原料與試劑62-63
• 3.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器63
• 3.2.3 材料的合成63-66
• 3.2.4 有機光伏電池器件的制備及性能測試66
• 3.2.5 單空穴器件的制備和性能測試66-67
• 3.3 結(jié)果與討論67-79
• 3.3.1 化合物的合成與表征67-73
• 3.3.2 化合物的光學(xué)性能73-74
• 3.3.3 化合物的熱學(xué)性能74
• 3.3.4 化合物的電化學(xué)氧化性質(zhì)74-75
• 3.3.5 化合物的能級軌道波函數(shù)理論計算75-76
• 3.3.6 化合物的空穴遷移率測試76
• 3.3.7 化合物的光伏器件性能76-79
• 3.4 本章小結(jié)79-80
• 第四章 苯乙炔基的引入對吡咯并吡咯二酮類分子型給體性質(zhì)的影響80-98
• 4.1 引言80
• 4.2 實驗部分80-85
• 4.2.1 原料與試劑80-81
• 4.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器81
• 4.2.3 材料的合成81-84
• 4.2.4 有機光伏電池器件的制備及性能測試84-85
• 4.2.5 單空穴器件的制備和性能測試85
• 4.3 結(jié)果與討論85-97
• 4.3.1 化合物的合成與表征85-90
• 4.3.2 化合物的光學(xué)性質(zhì)90-91
• 4.3.3 化合物的電化學(xué)氧化性質(zhì)91-92
• 4.3.4 化合物的能級軌道波函數(shù)理論計算92-93
• 4.3.5 化合物的熱學(xué)性質(zhì)93-94
• 4.3.6 化合物的空穴遷移率測試94-95
• 4.3.7 化合物的光伏器件性能95-97
• 4.4 本章小結(jié)97-98
• 第五章 含雙吡咯并吡咯二酮結(jié)構(gòu)的分子型給體的合成與性能研究98-113
• 5.1 引言98-99
• 5.2 實驗部分99-103
• 5.2.1 原料與試劑99
• 5.2.2 材料的表征設(shè)備與儀器99
• 5.2.3 材料的合成99-103
• 5.2.4 有機光伏電池器件的制備及性能測試103
• 5.2.5 單空穴器件的制備和性能測試103
• 5.3 結(jié)果與討論103-112
• 5.3.1 化合物的合成與表征103-107
• 5.3.2 化合物的光學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)107-108
• 5.3.3 化合物的熱學(xué)性能108-109
• 5.3.4 化合物的光伏器件性能和形貌109-111
• 5.3.5 化合物的空穴遷移率測試111-112
• 5.4 本章小結(jié)112-113
• 結(jié)論113-114
• 參考文獻114-126
• 附錄126-127
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果127-129
• 致謝129-130
• 附件130

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻來了解更多相關(guān)內(nèi)容

可溶液加工給體-受體有機小分子太陽能電池材料研究進展    李在房;彭強;和平;王艷玲;侯秋飛;李本林;田文晶;

聚合物太陽能電池給體材料研究進展    侯憲冰;馬曉燕;朱小波;

    

不同受體單元對基于三苯胺小分子給體材料的影響    王逸凡;白會濤;占肖衛(wèi);

用于聚合物太陽電池的平面型給體聚合物材料    薄志山;

聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中給體材料表面能調(diào)控及其光電性能研究    孫瑩;林保平;

高效率的寬帶隙聚合物給體材料的設(shè)計合成與光伏性能研究    薄志山;李翠紅;李光武;危和狄;

新型吡咯并吡咯并吡咯二酮純有機染料的合成及其光伏性能的研究    臧旭峰

含烯鍵和炔鍵的有機小分子給體材料的設(shè)計、合成及其在有機太陽能電池中的應(yīng)用    王歷平

有機小分子太陽能電池給體材料的合成與性質(zhì)研究    孫世新

聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池：給體材料的設(shè)計、合成及性質(zhì)    李耀文

ET類正組元導(dǎo)電分子晶體及相關(guān)負(fù)離子工程    陳紅余

新型窄帶隙聚合物太陽電池給體材料的設(shè)計合成與應(yīng)用    王明

以二芴基芳胺為端基的小分子給體材料的合成與光伏性能研究    夏炎

苯并二硒吩聚合物和芳香雜環(huán)并吡嗪聚合物給體材料的合成及在太陽能電池中的應(yīng)用    徐忠杰

小分子異質(zhì)結(jié)太陽能電池給體材料的合成及性能研究    石文娥

一種硫過氧化物試劑對硫代糖苷給體的活化研究    賀紅文

染料敏化太陽能電池中具有不同芳基胺類給體的有機染料的理論研究    蘇欣

基于聯(lián)噻吩給體的有機光伏材料的制備及其性能研究    高君

“給體—萘橋—給體”型有機發(fā)光分子材料的合成及其光致發(fā)光性能研究    潘科君

含噁二唑的聚噻吩衍生物和不同給體的光伏材料合成及性能研究    劉大喜

氟取代三元聚合物給體材料的合成及光伏性能研究    王志慧

含三苯胺、噁二唑聚噻吩衍生物和雙給體有機染料的合成及光伏性能研究    陳華杰