【摘要】：有機太陽電池(OSCs)作為解決環(huán)境污染、能源危機的有效途徑之一,具有質量輕、成本低、可溶液加工以及大面積制備柔性器件等優(yōu)點而受到科研工作者的廣泛關注。近年來,隨著科學家們不斷地對新型活性層材料的設計與合成、活性層形貌調控、界面修飾以及器件結構的優(yōu)化,OSCs的光電轉換效率(PCE)得到了大幅度提升,目前,實驗室取得的最高單結器件效率已經超過16%。活性層作為有機太陽能電池的核心部分,主要包括電子給體材料和電子受體材料。其中,各種窄、中、寬帶隙的給體材料的發(fā)展已相當成熟,而在受體材料中一直占據(jù)主導地位的富勒烯及其衍生物由于其固有的缺陷,如吸收窄而弱、能級不易調控、合成成本高、提純困難、以及光和熱穩(wěn)定性差,限制了OSCs器件性能的進一步突破。近幾年來,通過分子結構設計和優(yōu)化,基于非富勒烯小分子和聚合物的受體材料取得了較大的突破。為此,我們發(fā)展了系列基于酰亞胺(傒二酰亞胺和萘二酰亞胺)的新型交叉共軛型小分子和窄帶隙共軛聚合物受體材料,并應用于OSCs活性層中,并研究了分子結構對其吸收光譜、電子能級、分子聚集、以及活性層共混膜形貌等的影響。在第二章工作中,我們結合了受體單元-給體單元-受體單元(A-D-A)和PDI型受體材料的優(yōu)點,以苯并二噻吩(BDT)為核,噻吩和炔鍵分別作為橋接單元,設計并合成了三個含有不同拉電子基團的新型交叉共軛型小分子受體材料(SMAs)。這種交叉共軛型小分子具有類似于富勒烯衍生物的各向同性電荷傳輸性質。相比于大多數(shù)PDI類小分子,其吸收光譜拓寬,其能級和吸收光譜可以通過改變端基的種類來調節(jié)。采用該系列小分子受體分別與PTB7-Th給體共混制備的有機太陽電池器FF最高能達到6.06%。在第三章中,我們針對第二章工作中,小分子端基與BDT核較大的二面角,不利于分子間的π-π堆積,分子在長波處的吸收較弱,器件短路電流密度(J_(SC))較低問題,進一步提高小分子受體材料在長波處的吸收。我們在小分子的垂直和水平方向上依次對稱的引入噻吩和噻吩并環(huán)戊二烯(CPD)單元,得到的PDI-CPD-IT小分子具有更加剛性的平面結構,吸收光譜明顯拓寬,且長波處的吸收系數(shù)約為沒有引入CPD單元前的PDI-BDTT-IT的兩倍(2.42×10~5對比1.26×10~5 M~(-1) cm~(-1))。我們通過修飾拉電子端基和CPD上的烷基側鏈,來調控分子的能級、吸收光譜、以及活性層中共混膜的表面形貌。當采用聚合物PBDB-T作為給體材料,基于二氟取代端基以及短烷基側鏈修飾的PDI-CPD-ITFFS受體材料的器件能夠獲得高達9.76%的效率(J_(SC)和FF分別高達18.35mA cm~(-2)和70.86%),證明了這種“交叉共軛”的分子設計策略在構筑高效小分子受體材料上的潛能。在第四章工作中,我們同時將醌式共振和給體-受體(D-A)的設計策略用于窄帶隙共軛聚合物的設計中,制備了吸收邊能夠達到1000nm的窄帶隙聚合物受體材料。通過在具有穩(wěn)定醌式共振結構的給體單元上引入氯原子來降低聚合物的HOMO能級,改變聚合物鏈間的聚集,提高電荷傳輸能力。我們同樣設計了含有穩(wěn)定醌式結構的三元聚合物受體材料,進一步改善共混膜形貌。當采用PTB7-Th作為給體制備的全聚合物太陽電池獲得了2.38%的效率。在第五章,我們將具有穩(wěn)定醌式共振結構的噻吩并苯(ITNT)給體單元與PDI受體單元交替共聚制備了PITN系列共軛聚合物(PITN-11和PITN-812),并系統(tǒng)地對比研究了側鏈中支鏈碳原子數(shù)量的奇偶性對此類聚合物光學、電化學以及光伏性能的影響。我們發(fā)現(xiàn)支鏈C原子個數(shù)為偶數(shù)的PITN-812的結晶性能較好,吸收光譜較寬,有利于的太陽光的捕獲和電荷的傳輸。基于PTB7-Th:PITN-812的器件能獲得2.16%的光電轉換效率。
【圖文】：

大的發(fā)展中國家，既是能源生產大國，同時也是能源消耗大國。能源安全問題已成國國家安全的一部分，，制約著國家經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。而傳統(tǒng)化石燃料作為人需能源的主要來源，其不可再生的特點以及帶來的嚴重環(huán)境問題阻礙了綠色經濟的。在此背景下，開發(fā)新型的清潔能源，發(fā)展綠色經濟顯得尤為重要。在眾多清潔能，太陽能因為其能量巨大、可持續(xù)、清潔無污染、來源廣泛、方便等特點而備受人關注。太陽光透過大氣層到達地球表面的能量約為 8.1 × 1013kJ s-1，其煤當量足夠使用很長一段時間，我們只要收集太陽能中的一部分就足夠滿足我們對能源的需太陽能電池是一種可以將光能直接轉換為電能的裝置，分為無機太陽電池、雜化太池和有機/聚合物太陽電池，其中無機硅太陽電池由于其高效、壽命長、穩(wěn)定等優(yōu)點為當代商業(yè)化太陽電池的主流。目前無機硅太陽電池的效率也已經超過 25%，但因作工藝復雜、生產成本高、質量重而不易安裝、安裝成本高、且容易破碎，很大程限制了無機硅太陽電池在商業(yè)應用中的大規(guī)模推廣。

華南理工大學碩士學位論文（圖 1-2）具有兩個及以上的活性層，通過在不同的子電池中選用帶隙不同的活性層來吸收不同波段的太陽光，提高短路電流密度的同時，實現(xiàn)更高的能量轉換效率。南開大學陳永勝教授團隊和中科院國家納米科學中心丁黎明研究員等合作設計和制備的疊層有機太陽能電池材料和器件，實現(xiàn)了超過 17%的能量轉化效率，[16]是目前有機太陽電池在實驗室中取得的最高效率。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB34;TM914.4

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本文編號：2616034