不對稱有機(jī)小分子光伏材料的合成與性質(zhì)研究

【摘要】：如何高效便捷地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能一直是光伏研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。有機(jī)光伏材料與傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比,具有材料合成容易、質(zhì)量輕盈、成本低、柔韌性好及可大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn),引起了廣泛關(guān)注。 有機(jī)光伏材料的給體主要包括有機(jī)小分子材料和有機(jī)聚合物材料。有機(jī)小分子材料具有結(jié)構(gòu)明確、易于純化及重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),成為新一代有機(jī)太陽能電池有力的競爭者。目前,有機(jī)小分子領(lǐng)域報道的最高光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到9.02%。然而,為滿足市場化要求,需要不斷設(shè)計(jì)、合成新型光伏材料,提高其光電轉(zhuǎn)化效率。 根據(jù)分子骨架結(jié)構(gòu)不同,有機(jī)小分子光伏材料主要集中在D-A-D或A-D-A等對稱結(jié)構(gòu),而具有不對稱結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子光伏材料的報道較少。因此,為了豐富有機(jī)小分子光伏材料的研究領(lǐng)域,探究分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,本論文成功設(shè)計(jì)并合成了具有不對稱骨架結(jié)構(gòu)的小分子給體材料。 本論文選用三苯胺為給電子單元(D),選用吡咯并吡咯二酮(DPP)和苯并噻二唑(BT)為兩種吸電子單元(A),以碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳雙鍵氰基和碳碳三鍵作為四種π橋鍵,構(gòu)成具有D-A骨架結(jié)構(gòu)的DPP系列和BT系列材料。為了進(jìn)一步優(yōu)化分子結(jié)構(gòu),提高材料的光電性能,本論文在DPP系列材料的噻吩單元末端引入對氰基苯基吸電子單元,延伸出具有D-A-A骨架結(jié)構(gòu)的DPPCN系列材料。 通過密度泛函理論計(jì)算、紫外可見光吸收、循環(huán)伏安及溶液過程本體異質(zhì)結(jié)光伏器件測試,探究了不同吸電子單元、不同π橋鍵對材料的光學(xué)、電化學(xué)及光電性質(zhì)的影響。測試結(jié)果顯示：(1)基于D-A結(jié)構(gòu)的DPP系列和BT系列材料具有更低的HOMO能級,因而得到了高的開路電壓值,大于0.9V。(2) DPPCN系列材料末端并入對氰基苯基單元可以有效減小材料的能級帶寬,提高材料的光吸收能力,進(jìn)而改善短路電流值。(3)采用碳碳雙鍵氰基和碳碳三鍵為π橋鍵可以降低材料的HOMO能級。而基于碳碳三鍵的有機(jī)小分子材料由于具有更好的剛性和平面結(jié)構(gòu),可以促進(jìn)分子內(nèi)電荷傳輸,因而提高了材料的光電性能。其中,基于TPATDPPCN的光伏器件測試得到了令人滿意的結(jié)果：開路電壓為0.93V,短路電流密度為14.86mA·cm-2,填充因子為43%,光電轉(zhuǎn)化效率為5.94%。這個器件效率是目前報道的溶液過程不對稱有機(jī)小分子光伏材料的最高值,也是含有DPP和三苯胺單元小分子材料的最高值。 本論文的研究成果為不對稱有機(jī)小分子光伏材料的研究提供了較好的研究基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：三苯胺 吡咯并吡咯二酮 苯并噻二唑 不對稱 小分子給體
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-35
• 1.1 太陽能電池9-13
• 1.1.1 太陽能的開發(fā)與利用9-10
• 1.1.2 太陽能電池的發(fā)展10-11
• 1.1.3 太陽能電池的分類11-13
• 1.2 有機(jī)薄膜太陽能電池概述13-17
• 1.2.1 有機(jī)薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)13-14
• 1.2.2 有機(jī)薄膜太陽能電池的工作原理14-15
• 1.2.3 有機(jī)薄膜太陽能電池的性能表征15-17
• 1.3 有機(jī)薄膜太陽能電池材料17-25
• 1.3.1 有機(jī)受體材料17-18
• 1.3.2 有機(jī)給體材料的設(shè)計(jì)原則18-21
• 1.3.3 有機(jī)聚合物材料21-23
• 1.3.4 有機(jī)小分子材料23-25
• 1.4 溶液過程的有機(jī)小分子光伏材料25-30
• 1.4.1 三苯胺類25-27
• 1.4.2 吡咯并吡咯二酮(DPP)類27-28
• 1.4.3 苯并噻二唑(BT)類28
• 1.4.4 π橋鍵28-30
• 1.5 不對稱有機(jī)小分子光伏材料的研究進(jìn)展30-33
• 1.6 選題思路及研究方法33-35
• 2 實(shí)驗(yàn)部分35-51
• 2.1 儀器與試劑35-37
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器35-36
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)藥品36-37
• 2.2 實(shí)驗(yàn)操作及藥品的預(yù)處理37-38
• 2.3 BHJ光伏器件的制作過程38
• 2.4 有機(jī)小分子給體材料的合成38-51
• 2.4.1 基于三苯胺給電子單元硼酸酯的合成38-42
• 2.4.2 基于DPP吸電子單元溴代物的合成42-44
• 2.4.3 基于BT吸電子單元溴代物的合成44-46
• 2.4.4 目標(biāo)分子的合成46-51
• 3 結(jié)果與討論51-64
• 3.1 有機(jī)小分子材料合成51-52
• 3.2 熱穩(wěn)定性測試52
• 3.3 DFT計(jì)算52-55
• 3.4 紫外-可見光吸收測試55-58
• 3.5 循環(huán)伏安測試58-60
• 3.6 光伏器件測試60-64
• 結(jié)論64-65
• 參考文獻(xiàn)65-76
• 附錄A 終產(chǎn)物的表征76-84
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況84-85
• 致謝85-86

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