不对称有机小分子光伏材料的合成与性质研究

【摘要】：如何高效便捷地将太阳能转化为电能一直是光伏研究领域的热点问题。有机光伏材料与传统的无机半导体材料相比,具有材料合成容易、质量轻盈、成本低、柔韧性好及可大规模应用等优点,引起了广泛关注。 有机光伏材料的给体主要包括有机小分子材料和有机聚合物材料。有机小分子材料具有结构明确、易于纯化及重复性好等优点,成为新一代有机太阳能电池有力的竞争者。目前,有机小分子领域报道的最高光电转化效率达到9.02%。然而,为满足市场化要求,需要不断设计、合成新型光伏材料,提高其光电转化效率。 根据分子骨架结构不同,有机小分子光伏材料主要集中在D-A-D或A-D-A等对称结构,而具有不对称结构的有机小分子光伏材料的报道较少。因此,为了丰富有机小分子光伏材料的研究领域,探究分子结构与性能的关系,本论文成功设计并合成了具有不对称骨架结构的小分子给体材料。 本论文选用三苯胺为给电子单元(D),选用吡咯并吡咯二酮(DPP)和苯并噻二唑(BT)为两种吸电子单元(A),以碳碳单键、碳碳双键、碳碳双键氰基和碳碳三键作为四种π桥键,构成具有D-A骨架结构的DPP系列和BT系列材料。为了进一步优化分子结构,提高材料的光电性能,本论文在DPP系列材料的噻吩单元末端引入对氰基苯基吸电子单元,延伸出具有D-A-A骨架结构的DPPCN系列材料。 通过密度泛函理论计算、紫外可见光吸收、循环伏安及溶液过程本体异质结光伏器件测试,探究了不同吸电子单元、不同π桥键对材料的光学、电化学及光电性质的影响。测试结果显示：(1)基于D-A结构的DPP系列和BT系列材料具有更低的HOMO能级,因而得到了高的开路电压值,大于0.9V。(2) DPPCN系列材料末端并入对氰基苯基单元可以有效减小材料的能级带宽,提高材料的光吸收能力,进而改善短路电流值。(3)采用碳碳双键氰基和碳碳三键为π桥键可以降低材料的HOMO能级。而基于碳碳三键的有机小分子材料由于具有更好的刚性和平面结构,可以促进分子内电荷传输,因而提高了材料的光电性能。其中,基于TPATDPPCN的光伏器件测试得到了令人满意的结果：开路电压为0.93V,短路电流密度为14.86mA·cm-2,填充因子为43%,光电转化效率为5.94%。这个器件效率是目前报道的溶液过程不对称有机小分子光伏材料的最高值,也是含有DPP和三苯胺单元小分子材料的最高值。 本论文的研究成果为不对称有机小分子光伏材料的研究提供了较好的研究基础。 【关键词】：三苯胺 吡咯并吡咯二酮 苯并噻二唑 不对称 小分子给体
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-35
• 1.1 太阳能电池9-13
• 1.1.1 太阳能的开发与利用9-10
• 1.1.2 太阳能电池的发展10-11
• 1.1.3 太阳能电池的分类11-13
• 1.2 有机薄膜太阳能电池概述13-17
• 1.2.1 有机薄膜太阳能电池的结构13-14
• 1.2.2 有机薄膜太阳能电池的工作原理14-15
• 1.2.3 有机薄膜太阳能电池的性能表征15-17
• 1.3 有机薄膜太阳能电池材料17-25
• 1.3.1 有机受体材料17-18
• 1.3.2 有机给体材料的设计原则18-21
• 1.3.3 有机聚合物材料21-23
• 1.3.4 有机小分子材料23-25
• 1.4 溶液过程的有机小分子光伏材料25-30
• 1.4.1 三苯胺类25-27
• 1.4.2 吡咯并吡咯二酮(DPP)类27-28
• 1.4.3 苯并噻二唑(BT)类28
• 1.4.4 π桥键28-30
• 1.5 不对称有机小分子光伏材料的研究进展30-33
• 1.6 选题思路及研究方法33-35
• 2 实验部分35-51
• 2.1 仪器与试剂35-37
• 2.1.1 实验仪器35-36
• 2.1.2 实验药品36-37
• 2.2 实验操作及药品的预处理37-38
• 2.3 BHJ光伏器件的制作过程38
• 2.4 有机小分子给体材料的合成38-51
• 2.4.1 基于三苯胺给电子单元硼酸酯的合成38-42
• 2.4.2 基于DPP吸电子单元溴代物的合成42-44
• 2.4.3 基于BT吸电子单元溴代物的合成44-46
• 2.4.4 目标分子的合成46-51
• 3 结果与讨论51-64
• 3.1 有机小分子材料合成51-52
• 3.2 热稳定性测试52
• 3.3 DFT计算52-55
• 3.4 紫外-可见光吸收测试55-58
• 3.5 循环伏安测试58-60
• 3.6 光伏器件测试60-64
• 结论64-65
• 参考文献65-76
• 附录A 终产物的表征76-84
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况84-85
• 致谢85-86

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