含噻吩或噻吩稠環(huán)單元的有機光伏材料的合成及其性能研究

【摘要】：21世紀以來,開發(fā)新型可持續(xù)發(fā)展的清潔能源已經(jīng)成為解決全球能源危機的關(guān)鍵,而有機太陽能電池由于能夠有效利用可再生的太陽能產(chǎn)生電能以及具有質(zhì)量輕、可大面積制造等優(yōu)點,越來越受到人們的重視。本論文系統(tǒng)闡述了有機太陽能電池的發(fā)展進程和工作原理,著重介紹了幾種高效的有機太陽能電池給體材料。針對目前有機太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率不高、高效給體材料種類較少等問題,設(shè)計合成了系列基于噻吩和噻吩稠環(huán)單元的有機太陽能電池給體材料,并表征了化合物的分子結(jié)構(gòu),研究了目標光伏材料的光物理性能及其在本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件中的光伏性能。闡述了材料分子結(jié)構(gòu)對電池器件性能的影響,篩選獲得了性能優(yōu)良的有機太陽能電池給體材料。本論文的研究內(nèi)容如下:1)設(shè)計合成了基于苯并二噻吩與喹喔啉單元以及基于苯并二噻吩與異靛藍單元的具有不同間隔基團的供體-受體(D-A)型窄帶隙聚合物,闡明了間隔基團結(jié)構(gòu)與個數(shù)對聚合物的光物理性能以及器件光伏性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),基于噻吩單元的聚合物PBDTT-TQ和二噻吩單元的PBDT-BTI呈現(xiàn)出了更好的光伏性能。其中,基于聚合物PBDTT-TQ的光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)、短路電流(Jsc)、開路電壓(Voc)和填充因子(FF)分別為5.9%、13.77 mA/cm2、0.77 V和56.0%;基于聚合物PBDT-BTI光伏器件(PSCs)的PCE、Jsc、Voc和FF值分別為7.31%、0.72 V、14.96 mA/cm2和68.1%。2)設(shè)計合成了基于二噻吩基噻吩并噻吩單元和吡咯并吡咯二酮單元以及基于引達省并二噻吩單元和喹喔啉單元的兩個系列D-A型二維共軛聚合物。研究發(fā)現(xiàn):在第一系列的D-A型聚合物中,具有較好分子平面性的聚合物PBTST-DPP顯示了更好的光伏性能,其PSCs器件的PCE為2.12%;在第二系列的D-A型聚合物中,含間位烷基的聚合物PIDTTQ-m光伏器件的PCE值達到了7.8%(Voc=0.88 V,Jsc=12.9 mA/cm2,FF=69.0%)。3)以引達省并二噻吩和噻吩單元作為D單元、喹喔啉單元作為A單元,設(shè)計合成了D-A-A型和D-A1-D-A2型窄帶隙聚合物。研究結(jié)果顯示,相對于常規(guī)的D-A型聚合物,D-A-A型聚合物的紫外吸收范圍更為寬廣,對太陽光的利用率更高。在聚合物太陽能電池器件中,D-A-A型聚合物PIDT-DTQ-TT具有較好的光伏性能,器件的能量轉(zhuǎn)換效率達到了6.63%(Voc=0.83 V,Jsc=12.43 mA/cm2,FF=65.3%);D-A1-D-A2型聚合物PTQTI-F光伏器件的PCE值達到了6.32%,Jsc、Voc和FF分別為12.58 mA/cm2、0.93 V和54.0%。4)設(shè)計合成了含六噻吩并二苯稠環(huán)單元和聯(lián)二噻吩單元的D1-D2型聚合物PBTFT。研究結(jié)果表明,聚合物PBTFT具有很好的分子平面性,并且其薄膜狀態(tài)下具有良好的堆積性能。有機場效應(yīng)晶體管器件結(jié)果顯示,PBTFT具有較好的電荷傳輸性能,其空穴遷移率最高可達0.028 cm2v-1s-1;在結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/Active Layer/Ca/Al的太陽能電池器件中,當給受體材料比例為1:2、退火溫度為150 oC時,器件的光伏性能最好,其PCE值達到了3.0%。5)設(shè)計合成了以五噻吩并二苯為D單元、苯并噻二唑為A單元的D-A型小分子光伏給體材料FT1,以及以六噻吩并二苯為D單元、苯并噻二唑為A單元的小分子光伏給體材料FT2和FT3。結(jié)果表明:化合物FT1、FT2和FT3均具有良好的熱穩(wěn)定性能和分子平面性;多噻吩稠環(huán)的大小及其單元中硫原子的位置變化對材料的結(jié)晶性能和光伏性能都有較大的影響。與化合物FT1和FT2相比,FT3具有較好的結(jié)晶性能和光伏性能,其光伏器件的PCE值為2.13%。 【關(guān)鍵詞】：本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池 給體材料 噻吩 噻吩稠環(huán)單元 喹喔啉
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-54
• 1.1 有機太陽能電池的發(fā)展歷程13-16
• 1.2 有機太陽能電池的工作原理16
• 1.3 有機太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)16-17
• 1.4 有機太陽能電池的性能表征17-18
• 1.5 有機光伏材料18-36
• 1.5.1 有機光伏給體材料的分子設(shè)計策略18-19
• 1.5.2 典型有機光伏給體材料介紹19-34
• 1.5.3 典型有機光伏受體材料介紹34-36
• 1.6 論文的設(shè)計思想與主要研究內(nèi)容36-38
• 1.6.1 本論文的設(shè)計思想:36-37
• 1.6.2 本論文的創(chuàng)新點:37
• 1.6.3 本論文的主要研究內(nèi)容:37-38
• 參考文獻38-54
• 第2章 基于苯并二噻吩和喹喔啉單元的D-A型窄帶隙聚合物給體材料的合成及其性能研究54-72
• 2.1 引言54-55
• 2.2 實驗部分55-62
• 2.2.1 實驗原料及試劑55-56
• 2.2.2 材料測試及表征56-57
• 2.2.3 聚合物合成57-62
• 2.3 結(jié)果與討論62-69
• 2.3.1 聚合物的合成、表征及其熱穩(wěn)定性能的研究62-63
• 2.3.2 聚合物的紫外可見吸收光譜性能63-64
• 2.3.3 聚合物的電化學性能64-65
• 2.3.4 聚合物的光伏性能65-68
• 2.3.5 聚合物的電荷傳輸性能68-69
• 2.4 本章小結(jié)69-70
• 參考文獻70-72
• 第3章 基于苯并二噻吩和異靛藍單元的D-A型聚合物給體材料的合成及其性能研究72-84
• 3.1 引言72
• 3.2 實驗部分72-75
• 3.2.1 實驗原料及試劑72
• 3.2.2 材料測試及表征72-73
• 3.2.3 聚合物合成73-75
• 3.3 結(jié)果與討論75-81
• 3.3.1 聚合物的合成及表征75-76
• 3.3.2 聚合物理論計算下的最優(yōu)模型及其HOMO、LUMO能級軌道圖76-77
• 3.3.3 聚合物的紫外可見吸收光譜性能及電化學性能77-78
• 3.3.4 聚合物的光伏性能78-81
• 3.4 本章小結(jié)81-82
• 參考文獻82-84
• 第4章 基于二噻吩基噻吩并噻吩和吡咯并吡咯二酮單元的D-A型二維共軛聚合物給體材料的合成及其性能研究84-99
• 4.1 引言84-85
• 4.2 實驗部分85-91
• 4.2.1 實驗原料及試劑85-86
• 4.2.2 材料測試及表征86
• 4.2.3 聚合物合成86-91
• 4.3 結(jié)果與討論91-97
• 4.3.1 聚合物的合成及表征91-92
• 4.3.2 聚合物理論計算下的最優(yōu)模型92
• 4.3.3 聚合物的紫外可見吸收光譜性能及電化學性能92-94
• 4.3.4 聚合物的光伏性能94-96
• 4.3.5 聚合物的電荷傳輸性能96-97
• 4.4 本章小結(jié)97
• 參考文獻97-99
• 第5章 基于引達省并二噻吩和喹喔啉單元的D-A型窄帶隙聚合物給體材料的合成及其性能研究99-111
• 5.1 引言99-100
• 5.2 實驗部分100-103
• 5.2.1 實驗原料及試劑100
• 5.2.2 材料測試及表征100
• 5.2.3 聚合物的合成100-103
• 5.3 結(jié)果與討論103-109
• 5.3.1 聚合物的合成及表征103-104
• 5.3.2 聚合物的紫外可見吸收光譜性能及電化學性能104-105
• 5.3.3 聚合物理論計算下的最優(yōu)模型105-106
• 5.3.4 聚合物的光伏性能106-109
• 5.4 本章小結(jié)109-110
• 參考文獻110-111
• 第6章 基于引達省并二噻吩和喹喔啉單元的D-A-A型窄帶隙聚合物給體材料的合成及其性能研究111-123
• 6.1 引言111-112
• 6.2 實驗部分112-115
• 6.2.1 實驗原料及試劑112
• 6.2.2 材料測試及表征112
• 6.2.3 聚合物的合成112-115
• 6.3 結(jié)果與討論115-121
• 6.3.1 聚合物的合成、表征及其熱穩(wěn)定性能115-116
• 6.3.2 聚合物的紫外可見吸收光譜性能116-117
• 6.3.3 聚合物的電化學性能117-118
• 6.3.4 聚合物的光伏性能118-120
• 6.3.5 聚合物的電荷傳輸性能120-121
• 6.4 本章小結(jié)121
• 參考文獻121-123
• 第7章 基于噻吩單元、異靛藍單元和喹喔啉單元的D-A1-D-A2型窄帶隙聚合物給體材料的合成及其性能研究123-133
• 7.1 引言123-124
• 7.2 實驗部分124-126
• 7.2.1 實驗原料及試劑124
• 7.2.2 材料測試及表征124-125
• 7.2.3 聚合物的合成125-126
• 7.3 結(jié)果與討論126-131
• 7.3.1 聚合物的合成、表征及其熱穩(wěn)定性能126
• 7.3.2 聚合物的紫外可見吸收光譜性能和薄膜堆積性能126-128
• 7.3.3 聚合物的電化學性能128-129
• 7.3.4 聚合物的光伏性能129-131
• 7.4 本章小結(jié)131
• 參考文獻131-133
• 第8章 基于噻吩稠環(huán)單元和聯(lián)噻吩單元的D1-D2型聚合物給體材料的合成及其性能研究133-145
• 8.1 引言133-134
• 8.2 實驗部分134-136
• 8.2.1 實驗原料及試劑134
• 8.2.2 材料測試及表征134-135
• 8.2.3 聚合物的合成135-136
• 8.3 結(jié)果與討論136-142
• 8.3.1 聚合物的合成、表征136
• 8.3.2 聚合物的熱穩(wěn)定性能及其理論計算下的最優(yōu)模型136-137
• 8.3.3 聚合物的紫外可見吸收光譜性能和電化學性能137-139
• 8.3.4 聚合物的電荷傳輸性能139-140
• 8.3.5 聚合物的光伏性能140-142
• 8.4 本章小結(jié)142-143
• 參考文獻143-145
• 第9章 基于噻吩稠環(huán)單元與苯并噻二唑單元的D-A型小分子給體材料的合成及其性能研究145-161
• 9.1 引言145-147
• 9.2 實驗部分147-151
• 9.2.1 實驗原料及試劑147
• 9.2.2 材料測試及表征147
• 9.2.3 FT1、FT2和FT3的合成147-151
• 9.3 結(jié)果與討論151-159
• 9.3.1 FT1、FT2和FT3的合成、表征及其理論計算151-152
• 9.3.2 FT1、FT2和FT3的熱穩(wěn)定性能及結(jié)晶性能152-154
• 9.3.3 FT1、FT2和FT3的紫外吸收性能和電化學性能154-156
• 9.3.4 FT1、FT2和FT3的光伏性能和電荷傳輸性能156-159
• 9.4 本章小結(jié)159
• 參考文獻159-161
• 結(jié)論與展望161-164
• 結(jié)論161-163
• 展望163-164
• 致謝164-165
• 附錄A攻讀博士學位期間發(fā)表論文情況165-167
• 附錄B有機中間體、聚合物單體和目標化合物的譜圖167-198

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