進入21世紀以來,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界和工業(yè)界越來越多的關注,各種光伏技術應運而生,其中,有機太陽電池由于其具有可制備柔性器件、可溶液加工、可大面積生產等獨特優(yōu)勢也受到了廣泛關注。有機太陽電池的性能優(yōu)化主要在于材料開發(fā)和器件優(yōu)化兩個方面,其中,設計合成高性能材料尤其是高效的活性層材料是實現(xiàn)高效有機太陽電池的基礎。理想的太陽電池活性層材料不僅要能實現(xiàn)較高的光電轉換效率,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。因此在設計高效的有機太陽電池活性層材料時,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縮合反應是一種環(huán)境友好型的非金屬催化的脫水縮合反應,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行的反應,具有后處理簡便,反應單體合成簡便、容易提純,無毒,原子經濟性較高,無金屬催化劑等優(yōu)點。在第二章中,我們采用Knoevenagel縮合反應制備了一系列以引達省五并噻吩(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。研究發(fā)現(xiàn),基于二噻吩丙烯腈連接基團的小分子HOMO能級相對較低,進一步通過在端基引入氟原子降低分子的HOMO能級,同時拓寬吸收光譜,最終制備了吸收邊達到1022 nm的近紅外小分子受體材料,用于有機太陽電池得到了2.64%的光電轉換效率。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)化主鏈和側鏈結構,改善了聚合物的吸收性能和能級,將其與ITIC匹配,制備的有機太陽電池器件可以實現(xiàn)8.54%的光電轉換效率。另外,我們發(fā)現(xiàn)采用Knoevenagel縮合反應與Stille聚合兩種聚合方法制備的聚合物在物理化學性質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制備含碳氮不飽和鍵的有機共軛小分子。我們采用傒四酸酐為原料,通過席夫堿反應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穩(wěn)定性、較好的光學電化學性能以及光異構化的現(xiàn)象,將其作為受體材料用于有機太陽電池得到了4.34%的效率。在第五章,我們采用席夫堿反應制備了主鏈含亞胺基團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)具有較強的吸收光譜,具有良好的電化學性能。我們同時研究了吸電子單元上氟原子的引入對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聚合物分子內的電荷轉移作用,增強分子主鏈之間的聚集行為,同時降低聚合物的HOMO能級。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,通過在側鏈引入羧酸酯的方式降低聚合物的HOMO能級,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)二噻吩來構筑聚合物的主鏈結構,基于噻吩單元的聚合物具有更深的HOMO能級,相應光伏器件的V_(OC)可以達到0.92 V�；诼�(lián)二噻吩的聚合物具有更寬的吸收光譜,更強的分子間π-π堆積以及明顯的變溫吸收特性,但是其HOMO能級較淺,相應光伏器件的V_(OC)僅有0.76 V。我們進一步研究了羧酸酯側鏈含量對于聚合物光伏性能的影響。我們發(fā)現(xiàn)當羧酸酯側鏈的含量為25%時,聚合物的光學性能、電化學性能最佳,相應的器件性能也最為優(yōu)異。
【學位單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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，人類對生活品質越來越高的追求以及科技的高速發(fā)展，人類對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，人類對化石能源的過度依賴導致了自然資源受到過度開采，自然環(huán)境遭到巨大破壞，這不僅導致了能源危機的出現(xiàn)，還使得人類的生活環(huán)境及多種動植物的棲息地受到破壞，許多動植物瀕臨滅絕。近些年來，人們逐漸意識到環(huán)境保護及資源節(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 120000 TW），較廣的分布范圍等獨特的優(yōu)勢受到了越來越多的關注。無論是在科學研究層面，還是實際應用層面，太陽能發(fā)電技術都受到了廣泛關注并展現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景。太陽能的獲取、轉化、儲存等一系列問題都是近些年來科學界和產業(yè)界關注的重點問題。

華南理工大學博士學位論文著有害物質的產生，生產過程中污染嚴重，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，有機太陽電池已逐漸從實驗室中走向商業(yè)化應用產上來說，有機太陽電池可以在室溫下采用卷對卷加工技術制備質量輕、柔性半透明等特性的產品，為光伏技術豐富人們的生活帶來了無限的可能性。

華南理工大學博士學位論文器件效率，通常會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）。界面層對從活性層中選擇性地抽取空穴和電子起到了關鍵性作用。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，還會采用兩個或多個獨立器件組成的疊層器件結構，以實現(xiàn)吸收互補的目的，為了實現(xiàn)激子的有效解離和傳輸，還會對每層器件中活性層厚度進行優(yōu)化，以得到更好的器件效果。

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本文編號：2813947