卟啉酞菁類化合物的設(shè)計合成及其在太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：結(jié)合當(dāng)前有機太陽能電池材料和器件的研究進(jìn)展及存在的主要問題,本論文的主要工作是合成有機小分子太陽能電池材料,目的是改善酞菁銅的溶解性,拓寬其對太陽光譜的吸收范圍。制備了一種可溶性酞菁銅和首次制備了兩種寬光譜吸收的卟啉酞菁聯(lián)合體, ZnPor-O-ZnPc和ZnPor-(O-ZnPc)4。以ZnPor-(O-ZnPc)4為給體材料,詳細(xì)研究了此類材料與PCBM形成異質(zhì)結(jié)作為光功能層的器件的主要性能,研究了二者的配比和退火溫度對器件性能的影響。 首先合成了一種可溶的酞菁衍生物,2,9,16,23-四羧基酞菁銅(CuTCPc),實現(xiàn)了用溶液旋涂的手段來制備含酞菁的器件,并考察了CuTCPc在太陽能電池中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn),CuTCPc可以作為給體材料,也可用作修飾層材料。引入修飾層CuTCPc的器件可以看成是兩個電池的并聯(lián),即一個雙層電池和一個混合異質(zhì)結(jié)電池的并聯(lián)。 其次通過四(對羥基)苯基卟啉(THPP)和4-硝基鄰苯二腈的親核反應(yīng)首次得到了四[對(3,4-二氰基)苯氧基]苯基卟啉(TDPP),然后以卟啉TDPP為原料,分別與亞酞菁和鄰苯二腈反應(yīng),首次得到了ZnPor-O-ZnPc和ZnPor-(O-ZnPc)4。通過元素分析、質(zhì)譜、核磁、紅外光譜和紫外-可見光譜的表征,證實產(chǎn)物為目標(biāo)化合物。卟啉酞菁聯(lián)合體的吸收是卟啉和酞菁單體吸收的疊加,在300到700nm的范圍內(nèi)都有吸收。 最后將兩種卟啉酞菁聯(lián)合體作為給體,與PCBM混合制備了異質(zhì)結(jié)電池。和單一的卟啉及酞菁相比,以ZnPor-(O-ZnPc)4和ZnPor-O-ZnPc作為給體的器件性能提高幅度很大,其中ZnPor-(O-ZnPc)4的器件性能最好。進(jìn)一步研究得出當(dāng)ZnPor-(O-ZnPc)4和PCBM質(zhì)量比為4：1時,退火溫度為140℃,器件ITO/PEDOT:PSS/ZnPor-(O-ZnPc)4:PCBM/LiF/Al的性能最好,得到了Jsc為4.68mA/cm2,Voc為0.63V,FF為57.5%,η為1.58%。研究了ZnPor-(O-ZnPc)4和不同形貌的Ti02形成的有機無機復(fù)合太陽能電池,發(fā)現(xiàn)Ti02的形貌對器件的短路電流有較大影響,Ti02為納米管時,得到的器件性能最好。 【關(guān)鍵詞】：卟啉 酞菁 合成 溶解性 吸收 有機太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序9-13
• 1 引言13-37
• 1.1 有機太陽能電池的相關(guān)基礎(chǔ)知識14-22
• 1.1.1 工作原理14-16
• 1.1.2 影響有機太陽能電池效率的因素16-17
• 1.1.3 有機太陽能電池的主要特性參數(shù)17-19
• 1.1.4 有機太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)19-22
• 1.2 有機太陽能電池材料22-31
• 1.2.1 有機小分子太陽能電池材料22-23
• 1.2.2 有機大分子太陽能電池材料23-27
• 1.2.3 D-A體系27-29
• 1.2.4 有機無機雜化體系29-30
• 1.2.5 有機太陽能材料小結(jié)30-31
• 1.3 酞菁類化合物31-35
• 1.3.1 酞菁類化合物簡介31-32
• 1.3.2 酞菁類化合物合成32-34
• 1.3.3 酞菁類化合物在太陽能電池中的應(yīng)用34-35
• 1.3.4 酞菁類化合物用作電池材料時存在的不足35
• 1.4 本論文的主要工作35-37
• 2 可溶性酞菁銅化合物的制備及其電池特性37-49
• 2.1 前言37-38
• 2.2 實驗部分38-41
• 2.2.1 試劑及儀器38
• 2.2.2 CuTCPc的合成38-40
• 2.2.3 CuTCPc的表征40
• 2.2.4 基于CuTCPc的太陽能電池器件的制備40-41
• 2.3 結(jié)果與討論41-47
• 2.3.1 CuTCPc的表征結(jié)果41-43
• 2.3.2 CuTCPc的電化學(xué)性質(zhì)測試43-44
• 2.3.3 器件性能的研究44-47
• 2.4 本章小結(jié)47-49
• 3 卟啉類化合物在太陽能電池中的應(yīng)用研究49-63
• 3.1 引言49-50
• 3.2 實驗部分50-53
• 3.2.1 試劑及主要儀器50-51
• 3.2.2 卟啉化合物的合成51-52
• 3.2.3 卟啉化合物的表征52-53
• 3.2.4 混合異質(zhì)結(jié)電池器件的制備53
• 3.3 結(jié)果與討論53-61
• 3.3.1 卟啉化合物的表征53-57
• 3.3.2 器件性能的研究57-61
• 3.4 本章小結(jié)61-63
• 4 卟啉酞菁聯(lián)合體的合成及表征63-89
• 4.1 引言63-64
• 4.2 實驗部分64-68
• 4.2.1 試劑及主要儀器64-65
• 4.2.2 卟啉酞菁聯(lián)合體的合成65-67
• 4.2.3 卟啉酞菁聯(lián)合體的表征67-68
• 4.3 結(jié)果與討論68-87
• 4.3.1 化合物的合成和表征68-82
• 4.3.2 卟啉酞菁聯(lián)合體的紫外和熒光性質(zhì)82-85
• 4.3.3 卟啉酞菁聯(lián)合體的電化學(xué)性質(zhì)85-87
• 4.4 本章小結(jié)87-89
• 5 卟啉酞菁聯(lián)合體在太陽能電池中的應(yīng)用89-103
• 5.1 引言89
• 5.2 實驗89-90
• 5.2.1 異質(zhì)結(jié)電池器件的制備89
• 5.2.2 有機無機復(fù)合太陽能電池的制備89-90
• 5.2.3 電池器件和活性層薄膜的測試90
• 5.3 結(jié)果與討論90-100
• 5.3.1 有機異質(zhì)結(jié)電池器件的研究90-97
• 5.3.2 有機無機復(fù)合電池器件的研究97-100
• 5.4 本章小結(jié)100-103
• 6 結(jié)論103-105
• 參考文獻(xiàn)105-113
• 附錄113-115
• 作者簡歷115-119
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集119

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