進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著科技的高速發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染問題逐漸暴露出來。太陽能作為可再生清潔能源受到科學(xué)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注,各種光伏技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其中,有機(jī)太陽電池由于其具有可制備柔性器件、可溶液加工、可大面積生產(chǎn)等獨(dú)特優(yōu)勢也受到了廣泛關(guān)注。有機(jī)太陽電池的性能優(yōu)化主要在于材料開發(fā)和器件優(yōu)化兩個(gè)方面,其中,設(shè)計(jì)合成高性能材料尤其是高效的活性層材料是實(shí)現(xiàn)高效有機(jī)太陽電池的基礎(chǔ)。理想的太陽電池活性層材料不僅要能實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率,還需要具有合成方法簡便、成本低廉、可大規(guī)模制備等特點(diǎn)。因此在設(shè)計(jì)高效的有機(jī)太陽電池活性層材料時(shí),還需綜合考量其合成路線以及合成方法。論文主要采用新型合成方法來制備有機(jī)太陽電池的活性層材料。制備了一系列主鏈含碳氮不飽和鍵的系列共軛聚合物/小分子,并研究了其光伏性能。Knoevenagel縮合反應(yīng)是一種環(huán)境友好型的非金屬催化的脫水縮合反應(yīng),其是由含醛基的單體與含活潑亞甲基的單體在堿的催化下進(jìn)行的反應(yīng),具有后處理簡便,反應(yīng)單體合成簡便、容易提純,無毒,原子經(jīng)濟(jì)性較高,無金屬催化劑等優(yōu)點(diǎn)。在第二章中,我們采用Knoevenagel縮合反應(yīng)制備了一系列以引達(dá)省五并噻吩(IDT)為核的A-D-A型近紅外小分子受體材料,分別以二噻吩乙烯或二噻吩丙烯腈為連接基團(tuán)。研究發(fā)現(xiàn),基于二噻吩丙烯腈連接基團(tuán)的小分子HOMO能級(jí)相對(duì)較低,進(jìn)一步通過在端基引入氟原子降低分子的HOMO能級(jí),同時(shí)拓寬吸收光譜,最終制備了吸收邊達(dá)到1022 nm的近紅外小分子受體材料,用于有機(jī)太陽電池得到了2.64%的光電轉(zhuǎn)換效率。在第三章,我們采用含二醛基的單體和含二乙腈基的單體,在叔丁醇鉀的催化下通過Knoevenagel縮合反應(yīng)制備了一系列基于苯并二噻吩(BDT)的聚合物給體材料。通過優(yōu)化主鏈和側(cè)鏈結(jié)構(gòu),改善了聚合物的吸收性能和能級(jí),將其與ITIC匹配,制備的有機(jī)太陽電池器件可以實(shí)現(xiàn)8.54%的光電轉(zhuǎn)換效率。另外,我們發(fā)現(xiàn)采用Knoevenagel縮合反應(yīng)與Stille聚合兩種聚合方法制備的聚合物在物理化學(xué)性質(zhì)及光伏性能方面無明顯差異。在第四章,我們采用席夫堿反應(yīng)制備含碳氮不飽和鍵的有機(jī)共軛小分子。我們采用傒四酸酐為原料,通過席夫堿反應(yīng)將其與含醛基單體在酸的作用下脫去一分子水得到了含亞胺基團(tuán)的PDI二聚體。所得到的含碳氮不飽和鍵的小分子具有較好的熱力學(xué)穩(wěn)定性、較好的光學(xué)電化學(xué)性能以及光異構(gòu)化的現(xiàn)象,將其作為受體材料用于有機(jī)太陽電池得到了4.34%的效率。在第五章,我們采用席夫堿反應(yīng)制備了主鏈含亞胺基團(tuán)的共軛聚合物給體材料。所得到的聚合物具有良好的熱穩(wěn)定性,在紫外可見光區(qū)具有較強(qiáng)的吸收光譜,具有良好的電化學(xué)性能。我們同時(shí)研究了吸電子單元上氟原子的引入對(duì)聚合物光電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)氟原子的引入可以增強(qiáng)聚合物分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移作用,增強(qiáng)分子主鏈之間的聚集行為,同時(shí)降低聚合物的HOMO能級(jí)。在第六章中,我們制備了含萘二并噻二唑(NT)單元的共聚物給體材料,通過在側(cè)鏈引入羧酸酯的方式降低聚合物的HOMO能級(jí),從而提升光伏器件的V_(OC)。我們選擇了兩種具有不同給電子能力的給體(D)單元,分別是噻吩和聯(lián)二噻吩來構(gòu)筑聚合物的主鏈結(jié)構(gòu),基于噻吩單元的聚合物具有更深的HOMO能級(jí),相應(yīng)光伏器件的V_(OC)可以達(dá)到0.92 V�；诼�(lián)二噻吩的聚合物具有更寬的吸收光譜,更強(qiáng)的分子間π-π堆積以及明顯的變溫吸收特性,但是其HOMO能級(jí)較淺,相應(yīng)光伏器件的V_(OC)僅有0.76 V。我們進(jìn)一步研究了羧酸酯側(cè)鏈含量對(duì)于聚合物光伏性能的影響。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)羧酸酯側(cè)鏈的含量為25%時(shí),聚合物的光學(xué)性能、電化學(xué)性能最佳,相應(yīng)的器件性能也最為優(yōu)異。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM914.4;TQ317
【部分圖文】：

1.1 引言隨著全球人口總數(shù)的增長，人類對(duì)生活品質(zhì)越來越高的追求以及科技的高速發(fā)展，人類對(duì)能源的巨大需求日益成為全人類亟待解決的最大的全球性挑戰(zhàn)之一。與此同時(shí)，人類對(duì)化石能源的過度依賴導(dǎo)致了自然資源受到過度開采，自然環(huán)境遭到巨大破壞，這不僅導(dǎo)致了能源危機(jī)的出現(xiàn)，還使得人類的生活環(huán)境及多種動(dòng)植物的棲息地受到破壞，許多動(dòng)植物瀕臨滅絕。近些年來，人們逐漸意識(shí)到環(huán)境保護(hù)及資源節(jié)約的重要性，發(fā)展綠色環(huán)保的可再生能源成為亟待解決的問題之一。太陽能由于其具有巨大的能量（地球表面的太陽能輻射能量高達(dá) 120000 TW），較廣的分布范圍等獨(dú)特的優(yōu)勢受到了越來越多的關(guān)注。無論是在科學(xué)研究層面，還是實(shí)際應(yīng)用層面，太陽能發(fā)電技術(shù)都受到了廣泛關(guān)注并展現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景。太陽能的獲取、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存等一系列問題都是近些年來科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)問題。

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文著有害物質(zhì)的產(chǎn)生，生產(chǎn)過程中污染嚴(yán)重，并且硅基太陽電池由于其本身特性柔性器件。在過去的數(shù)年間，有機(jī)太陽電池已逐漸從實(shí)驗(yàn)室中走向商業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)上來說，有機(jī)太陽電池可以在室溫下采用卷對(duì)卷加工技術(shù)制備質(zhì)量輕、柔性半透明等特性的產(chǎn)品，為光伏技術(shù)豐富人們的生活帶來了無限的可能性。

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文器件效率，通常會(huì)在電極和活性層之間加入界面材料，即空穴傳輸/抽取層（HTL/HEL）和電子傳輸/抽取層（ETL/EEL）。界面層對(duì)從活性層中選擇性地抽取空穴和電子起到了關(guān)鍵性作用。在正裝器件中，陽極界面修飾層（常用 PEDOT:PSS），活性層和陰極界面修飾層（如 PFN-Br）連續(xù)地沉積在陽極（一般為氧化銦錫 ITO）上，最后再將陰極金屬電極（常用 Ag）蒸鍍上去。而在倒裝器件中，則是以 ITO 作為陰極，以低功函材料（如 ZnO），活性層，高功函的陽極修飾層（V2O5、MoO3）的順序沉積在 ITO 上，最后再蒸鍍上一層陽極材料（Ag 或 Au）。除此之外，還會(huì)采用兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立器件組成的疊層器件結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)吸收互補(bǔ)的目的，為了實(shí)現(xiàn)激子的有效解離和傳輸，還會(huì)對(duì)每層器件中活性層厚度進(jìn)行優(yōu)化，以得到更好的器件效果。

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本文編號(hào)：2813947