本文選題：A-A型共軛材料 + 活性層��； 參考：《北京交通大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：有機(jī)太陽(yáng)能電池(OPVs)因其材料易得、合成成本低、柔韌性好以及可溶劑化大面積制備等特點(diǎn),具有巨大的應(yīng)用潛力,成為了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。其能量轉(zhuǎn)換效率得到了一定程度的提高,但想要將其產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。有機(jī)太陽(yáng)能電池性能主要取決于活性層的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程,因此活性層材料的開(kāi)發(fā)一直是有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和突破點(diǎn)。本論文以有機(jī)太陽(yáng)能電池給體材料為研究對(duì)象,提出了一種Acceptor-Acceptor(A-A)型共軛給體材料的設(shè)計(jì)方法,將兩個(gè)缺電子單元引入到材料的共軛主鏈,合成出了一系列A-A型聚合物、小分子給體材料并對(duì)其光伏性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,為有機(jī)太陽(yáng)電池給體材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。主要研究結(jié)果如下:1.設(shè)計(jì)并合成出一種基于兩個(gè)吸電子單元diketopyrrolopyrrole(DPP)和pentacycliclactam(PCL)的A-A型窄帶隙聚合物PDPP2TPCL。研究表明兩個(gè)吸電子單元的引入能夠有效拓寬聚合物的吸收光譜,降低聚合物的能級(jí)。有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)測(cè)試的結(jié)果表明聚合物具有0.81 cm2 V-1 s-1的高空穴遷移率。以其作為給體、富勒烯衍生物[6,6]-4-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)作為受體制備有機(jī)太陽(yáng)電池得到了 4.7%的光電能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)和0.65 eV的能量損失。2.以PDPP2TPCL為基礎(chǔ),通過(guò)引入甲基對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào),合成出了兩個(gè)新的A-A型共軛聚合物。研究發(fā)現(xiàn)甲基噻吩的引入能夠適當(dāng)提升聚合物的能級(jí),使聚合物的吸收產(chǎn)生輕微的藍(lán)移,但其在OFET中仍具有相近的空穴遷移率。將其作為給體材料應(yīng)用到有機(jī)太陽(yáng)能電池中,結(jié)果顯示,含甲基的聚合物的器件活性層具有更好的相分離尺寸,器件短路電流得到了顯著提升,PCE從4.2%提升到了6.1%。研究結(jié)果表明,通過(guò)分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與細(xì)微調(diào)控能夠有效改變材料的能級(jí)和微觀形貌,從而提升材料的光電性能。3.沿用A-A型共軛給體材料的設(shè)計(jì)策略,設(shè)計(jì)并合成出一個(gè)基于上述強(qiáng)吸電子單元DPP和弱吸電子單元PCL的窄帶隙小分子給體材料PCLDPP。研究發(fā)現(xiàn)A-A型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠使共軛小分子具有較短共軛主鏈的同時(shí)得到較窄的能量帶隙和較寬的吸收光譜。以PCLDPP作為給體、PC61BM作為受體制成的OPV器件得到了 4.8%的PCE,而以非富勒烯小分子做為受體的電池器件得到了 2.4%和3.5%的PCE,表明以多個(gè)缺電子基團(tuán)為骨架設(shè)計(jì)合成的共軛小分子在有機(jī)太陽(yáng)能電池中具有一定的應(yīng)用潛力。通過(guò)對(duì)器件性能與形貌的研究表明,載流子遷移率不匹配以及相分離尺寸過(guò)大等缺陷降低太陽(yáng)能電池的光電流,從而降低器件的能量轉(zhuǎn)換效率,為設(shè)計(jì)高效有機(jī)太陽(yáng)能電池提供了參考。
[Abstract]:Organic solar cell (OPVs) has become a research hotspot in recent years because of its advantages of easy availability, low synthesis cost, good flexibility and solvability and large area preparation. Its energy conversion efficiency has been improved to a certain extent, but there is still a long way to go to industrialize it. The performance of organic solar cells mainly depends on the photoelectric conversion process of the active layer, so the development of the active layer materials has always been the focus and breakthrough point in the field of organic solar cells. In this paper, an Acceptor-Acceptor A-A) conjugate donor material is proposed. Two electron-deficient elements are introduced into the conjugate main chain of the material and a series of A-A polymers are synthesized. The photovoltaic properties of small molecular donor materials are systematically studied, which provides a new idea for the design of organic solar cell donor materials. The main results are as follows: 1. An A-A narrow band gap polymer PDPP2TPCL was designed and synthesized based on two electron absorption units, diketopyrrolopyrrole (DPP) and pentacycliclactamet (PCL). It is shown that the introduction of two electron absorption units can effectively broaden the absorption spectra of the polymer and reduce the energy level of the polymer. The results of field effect transistor (FET) measurements show that the polymer has a high hole mobility of 0.81 cm2 V-1 s-1. Using the fullerene derivative [6n6] -4-phenyl--C61-butyrate (PC61BM) as the acceptor to prepare organic solar cells, the photovoltaic energy conversion efficiency (PCEE) and the energy loss of 0.65 EV were obtained. Based on PDPP2TPCL, two new A-A conjugated polymers were synthesized by introducing methyl to fine-tune their structures. It is found that the introduction of methylthiophene can increase the energy level of the polymer properly and cause a slight blue shift in the absorption of the polymer, but it still has similar hole mobility in OFET. The results show that the active layer of the polymer containing methyl has a better phase separation size, and the short circuit current of the device has been significantly increased from 4.2% to 6.1%. The results show that the energy level and micro-morphology of the material can be changed effectively by the design and fine regulation of molecular structure, and thus the photoelectric properties of the material can be improved by .3. Using the design strategy of A-A conjugate donor material, a narrow band gap small molecule donor material PCLDPs based on the strong electron absorption unit (DPP) and the weak electron absorption unit (PCL) was designed and synthesized. It is found that the design of A-A structure can make the conjugated small molecule have shorter conjugate main chain and narrow energy band gap and wider absorption spectrum. The OPV devices using PCLDPP as donor PC61BM as acceptor obtained 4.8% PCEs, while those with non-fullerene small molecules as acceptor got 2.4% and 3.5% PCEs, indicating that many electron deficient groups were used as the skeleton to design and synthesize the PCEs. Small yoke molecules have some potential applications in organic solar cells. The study on the performance and morphology of the device shows that the defects such as mismatch of carrier mobility and excessive phase separation size reduce the photocurrent of the solar cell and thus reduce the energy conversion efficiency of the device. It provides a reference for the design of efficient organic solar cells.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM914.4

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本文編號(hào)：1848810