【摘要】：有機太陽能電池具有可溶液加工、本身易彎折柔軟性好、合成所需材料易得價廉、成品質(zhì)地輕便且透明等優(yōu)點,從而倍受科學研究人員以及社會商業(yè)界的青睞。在當前能源短缺形勢下,研究可再生的有機太陽能電池更顯迫切。有機太陽能電池給體材料的吸收光譜、能級匹配以及載流子遷移率等因素對有機太陽能電池光伏能量轉(zhuǎn)換效率起著關鍵作用。本文以設計并合成有機小分子給體材料、聚合物給體材料為目標,選取優(yōu)良的給體單元苯并噻二吩(BDT)為主要構(gòu)建單元,設計合成以BDT給體為主核與三聯(lián)噻吩合成的有機小分子,以BDT給體單元分別與苯并噻二唑、與1,5-二硫雜-3,7-二氮雜螺[3.3]庚-2,6-二烯合成的Donor-Acceptor(D-A)型共軛聚合物共三個光伏材料,而且對以上經(jīng)過改性的材料結(jié)構(gòu)進行了詳細的研究,以探明其對有機太陽能電池光伏性能有何影響。分別采用~1H-NMR、紫外-可見吸收光譜測試儀、高斯量子化模擬計算、原子力顯微鏡(AFM)、循環(huán)伏安測試、熱失重測試儀(TGA)等對合成的給體材料的分子結(jié)構(gòu)、薄膜形貌與粗糙度、熱穩(wěn)定性能、光吸收和電化學性能分析表征。以這三種材料作給體,以ITIC材料為受體制備光伏器件,并對器件光伏性能進行了表征和分析。主要研究工作如下:(1)三聯(lián)噻吩(2,2':5',2''-Terthiophene,TT)結(jié)構(gòu)由于平面性較好而具有比較優(yōu)良的吸電子性和分子間π-π鍵的作用力,還可以改變烷基鏈長度或增加雜原子,可以很好的調(diào)控其溶解性和帶隙等。這里設計并合成了一種三聯(lián)噻吩作為雙臂,饒丹寧作分子封端的受體單元,與用烷硫基噻吩改性過的BDT加雙邊錫物質(zhì)發(fā)生Stille偶聯(lián)反應,獲得有機給體聚合物材料(TT-BDST-TT),TT-BDST-TT具有良好的電子云分布和熱穩(wěn)定性。同時,研究了TT-BDST-TT和ITIC電子受體材料的共混膜的光伏性能。其在用于制備器件時,發(fā)現(xiàn)溶解性差旋涂成膜并不理想,溶解性差主要是因BDT單元的烷硫基噻吩的鏈長過長導致的。雖然作為有機小分子光伏材料性能良好,卻無法用于光伏器件制備。(2)為研究給/受體(D-A)型共軛聚合物上受體單元中不同位點所連接的烷基鏈長度對光伏材料性能的影響,以BDT作為核心單元,與改性的苯并噻二唑設計并合成了D-A型二維共軛聚合物BDT-BTz。并對該給體材料的光電性能、電子遷移速率和薄膜形貌等進行測試。研究結(jié)果表明:以苯并噻二唑(BTz)作為受體單元時,因其苯環(huán)上具有多個可修飾位點,則采取對烷基鏈改性的方法改變其長度對能級的影響較小,所制備光伏器件的性能卻影響較大。該有機聚合物不僅電子云分布均勻、分子平面性好,而且受體單元的吸電子性好,有利于電子-空穴遷移。而且它的熱穩(wěn)定性好,溶解性好薄膜吸收光譜表現(xiàn)良好,能夠用于制備光伏器件�；贐DT-BTz的有機光伏器件(ITO/PEDOT:PSS/BDT-BTz:ITIC(1:1,w/w)/Ca/Al)顯示出的光伏性能良好。當加入0.5%的1,8-二碘辛烷(DIO)并進行退火操作后,開路電壓和能量轉(zhuǎn)換效率分別為0.84 V、3.37%。(3)設計并合成了基于BDT為主要給體單元,1,5-二硫雜-3,7-二氮雜螺[3.3]庚-2,6-二烯為受體單元的給受體型共軛聚合物光伏給體材料BDT-NSd。在分子整體結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別連接一個噻吩單元,并在噻吩三號位置上引入烷基鏈;而BDT單元的噻吩烷基鏈替換成短鏈,以探明烷基鏈改性對給體材料光伏性能的影響。測試表明:有機給體材料BDT-NSd的溶液溶解性與固體薄膜成膜性都較好;其太陽光吸收光譜涵蓋了300~700 nm的波段范圍。由于受體單元的吸電子性強作用,所以該有機光伏材料整體HOMO能級較低,才達到-5.41 eV。將BDT-NSd材料作為給體材料,與ITIC受體材料的能級匹配度較高,將兩者進行以質(zhì)量1:1比例共混成薄膜,并添加0.5%DIO作修飾時,光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率值為2.14%。該共軛聚合物雖然有優(yōu)良的開路電壓和填充因子性能,但因為烷基鏈太少,使得給受體接觸面積過小而無法形成有效的電子填充堆積,以其為給體材料所制作的器件能量轉(zhuǎn)換效率達到2.14%。
【學位授予單位】：安徽工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ317;TM914.4
【圖文】：

圖 1.1 太陽能電池按照制作材料分類Tab. 1.1 Solar cells are classified according to the materials produced但無機太陽能電池不僅能量償還時間長，不適宜制備柔性設備而且成本毒性大[2]。有機太陽能電池有以下優(yōu)點：(1)太陽含有“無窮”光資源；(2)易得，材料合成容易；(3)器件制備方便，成本低；(4)厚度最薄，輕質(zhì)廉價；(5)可卷對卷(roll-to-roll)或?qū)訉?layer by layer)等工藝可柔性加工大面積。有機太陽能電池也愈加引起科研工作者和企業(yè)家聯(lián)合關注且發(fā)展?jié)摿颓熬岸疾豢上蘖�。目前，隨著有機太陽能電池的不斷發(fā)展，人們在制備加池光伏器件上開拓出新的工藝，優(yōu)化加工步驟，逐漸改進光伏器件，使其

有機太陽能電池在太陽光照射下，通過器件電極玻片到達共混膜活性層上這時，由入射光吸收轉(zhuǎn)換所得到的光子，會被給/受體光伏材料全部吸收。當其被激發(fā)后，電子會進行躍遷，生成電子-空穴對，即激子（exciton）。當活性層材料的吸收光譜盡可能多的覆蓋太陽光光譜的范圍時，將對太陽光有更好的吸收。太陽光能量輻射范圍集中在 300~700 nm，此時的光伏性能最優(yōu)。(2) 激子向外擴散被內(nèi)部轉(zhuǎn)換吸收的光子，會在器件內(nèi)部產(chǎn)生電中性的激子，激子必須經(jīng)過擴散到達接觸界面上。礙于激子本身的特殊性，其存在和擴散的時間都很短，如果激子在光伏材料中的擴散距離超過 10 nm，就會發(fā)生復合造成損失從而大大降低激子解離率。在這里，導致本身能量發(fā)生損失的因素有：第一，當激子進行擴散的時候，進行傳遞速率的快慢；第二，激子成功的完成解離后，會有電荷產(chǎn)生出來，而電荷傳輸?shù)浇缑嫔蠒r，會進行分離，這個分離速率的快慢是影響因素；第三，由于激子本身的特性，在傳遞過程中，其會發(fā)生內(nèi)部復合，這個復合的多少是影響因素。這些因素在一定程度的損失，都會造成光電轉(zhuǎn)換能量降低。如圖 1.3 所示。

第一章 緒論能電池的常見結(jié)構(gòu)（見圖 1.4），一般會選用 ITO 玻的正極，它不會在光子入射時對其造成損失，并且多。而有機光伏器件的負極，常選用金屬 Al，也可屬。將有機光伏電池組件中最關鍵的光敏活性層，在兩端電極中間位置。為了使選用的 ITO玻璃薄片的界面性質(zhì)，能夠進行自由的改變，可以在玻片電SS，旋涂修飾層；改變負極金屬性質(zhì)，采用某些活能函數(shù)都普遍要低，將這種金屬先一步進行真空鍍就可以對負極進行修飾[20]。由于材料組成的結(jié)構(gòu)不

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本文編號：2795619