基于富勒烯和苯并二噻吩的光伏材料的合成及性能研究

【摘要】：本論文綜述了有機(jī)太陽能電池的研究現(xiàn)狀。為了提高有機(jī)太陽能電池的穩(wěn)定性和效率，本論文設(shè)計(jì)合成了一個(gè)含吡啶功能化的富勒烯衍生物，以及系列含苯并二噻吩單元的光伏給體材料，通過X射線衍射或核磁共振氫譜、碳譜和質(zhì)譜表征了他們的化學(xué)結(jié)構(gòu)。利用熱失重分析、循環(huán)伏安法和紫外-可見吸收光譜等方法研究了這些材料的熱穩(wěn)定性、電化學(xué)性能和光學(xué)性能。通過本體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能器件，研究了他們的光伏性能。本論文的研究?jī)?nèi)容主要為： 1)設(shè)計(jì)合成了一個(gè)吡啶功能化的吡唑并富勒烯M1，通過X射線單晶衍射，我們進(jìn)一步確定了M1的結(jié)構(gòu)。以M1作為緩沖層修飾反式太陽能電池的ZnO，使得基于P3HT:PC61BM制作的反式太陽能電池效率從3.65%提高到了4.18%。這個(gè)緩沖層能有效增強(qiáng)器件的激子分離和降低接觸電阻，從而使光伏器件擁有更高的短路電流和填充因子。 2)設(shè)計(jì)合成了以苯并二噻吩為給體單元，三聯(lián)噻吩為共軛π橋，氰基若丹寧為末端受體單元的D(T3-DCRD)-BDT和D(T3-DCRD)-TBDT兩個(gè)小分子光伏材料。研究表明，這兩個(gè)材料都具有良好的熱穩(wěn)定性，較寬的吸收光譜和良好的溶解性，如氯仿和氯苯等溶劑。基于D(T3-DCRD)-BDT和D(T3-DCRD)-TBD與PC61BM的光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到1.10%和1.94%，這表明由噻吩取代的苯并二噻吩表現(xiàn)出更好的光伏性能。 3)設(shè)計(jì)合成了一個(gè)新型側(cè)鏈懸掛三苯胺的苯并二噻吩單元D(TPAT)BDT，并以這個(gè)單元通過stille聚合偶聯(lián)與苯并噻二唑和吡咯并吡咯二酮合成了兩個(gè)PD(TPAT)BDT-BT和PD(TPAT)BDT-DPP聚合物光伏材料。這兩個(gè)聚合物都有良好的熱穩(wěn)定性和較寬的吸收光譜，在許多常見溶劑中都有很好的溶解性，比如氯仿和氯苯等溶劑。由于PD(TPAT)BDT-BT相對(duì)PD(TPAT)BDT-DPP有更高的聚合度，并且PD(TPAT)BDT-BT具有相對(duì)更小的空間位阻，更容易與PCBM進(jìn)行激子分離。所以基于PD(TPAT)BDT-BT制作的器件有更高的效率：PCE=1.78%(Voc=0.69V, Jsc=5.34mA/cm2, FF=48%)。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)太陽能電池 自組裝單分子層 富勒烯 苯并二噻吩 合成
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O621.3
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-23
• 1.1 引言9-10
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的工作原理10
• 1.3 表征有機(jī)太陽能電池性能的參數(shù)10-11
• 1.4 有機(jī)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)11-13
• 1.4.1 正式本體異質(zhì)結(jié)器件12
• 1.4.2 反式本體異質(zhì)結(jié)器件12-13
• 1.4.3 疊層本體異質(zhì)結(jié)器件13
• 1.5 有機(jī)太陽能電池材料13-21
• 1.5.1 以苯并噻二唑及其衍生物為受體單元的給體材料14-15
• 1.5.2 以吡咯并吡咯二酮為受體單元的給體材料15-16
• 1.5.3 以苯并吡嗪為受體單元的給體材料16-17
• 1.5.4 以噻吩并吡咯二酮為受體單元的給體材料17
• 1.5.5 以異靛藍(lán)為受體單元的給體材料17-18
• 1.5.6 以噻吩并噻吩為受體單元的給體材料18-19
• 1.5.7 其他受體基團(tuán)的給體材料19-20
• 1.5.8 有機(jī)小分子給體材料20-21
• 1.6 本論文的設(shè)計(jì)思想及研究?jī)?nèi)容21-22
• 1.7 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)22-23
• 第2章 吡啶功能化的吡唑并富勒烯的合成及其用于聚合物太陽能電池緩沖層的研究23-32
• 2.1 引言23-24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分24-26
• 2.2.1 原料與試劑24
• 2.2.2 測(cè)試儀器和條件24-25
• 2.2.3 合成路線及實(shí)驗(yàn)25-26
• 2.2.3.1 合成路線25
• 2.2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟25-26
• 2.3 結(jié)果與討論26-31
• 2.3.1 化合物 M1 的合成和結(jié)構(gòu)表征26
• 2.3.2 化合物 M1 單晶的培養(yǎng)及其結(jié)構(gòu)解析26-27
• 2.3.3 化合物 M1 的熱穩(wěn)定性27-28
• 2.3.4 化合物 M1 的光學(xué)性能和電化學(xué)性能28
• 2.3.5 M1 作為 SAM 對(duì)聚合物太陽能電池性能的影響28-31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 第3章 含若丹寧小分子的光伏材料的合成及光伏性能的研究32-45
• 3.1 引言32-33
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分33-39
• 3.2.1 原料與試劑33
• 3.2.2 測(cè)試儀器和條件33-34
• 3.2.3 合成路線及實(shí)驗(yàn)34-39
• 3.2.3.1 合成路線34-36
• 3.2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟36-39
• 3.3 結(jié)果與討論39-44
• 3.3.1 小分子的合成及結(jié)構(gòu)表征39
• 3.3.2 D(T_3-DCRD)-BDT 和 D(T_3-DCRD)-TBDT 的熱穩(wěn)定性39-41
• 3.3.3 D(T_3-DCRD)-BDT 和 D(T_3-DCRD)-TBDT 的光學(xué)性能41-42
• 3.3.4 D(T_3-DCRD)-BDT 和 D(T_3-DCRD)-TBDT 的電化學(xué)性能42-43
• 3.3.5 D(T_3-DCRD)-BDT 和 D(T_3-DCRD)-TBDT 的光伏性能43-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第4章 含三苯胺側(cè)鏈的苯并二噻吩共聚物的合成及其光伏性能的研究45-57
• 4.1 引言45-46
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分46-51
• 4.2.1 原料與試劑46
• 4.2.2 測(cè)試儀器和條件46-47
• 4.2.3 合成路線及實(shí)驗(yàn)47-51
• 4.2.3.1 合成路線47-48
• 4.2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟48-51
• 4.3 結(jié)果與討論51-56
• 4.3.1 單體和聚合物的合成及其表征51
• 4.3.2 聚合物的熱穩(wěn)定性51-53
• 4.3.3 聚合物的光學(xué)性能53
• 4.3.4 聚合物的電化學(xué)性能53-54
• 4.3.5 聚合物的光伏性能54-56
• 4.4 本章小結(jié)56-57
• 參考文獻(xiàn)57-63
• 致謝63-64
• 附錄 核磁共振和質(zhì)譜表征圖64-78
• 攻讀碩士發(fā)表的學(xué)術(shù)論文78

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