【摘要】：近些年來,具有亞三維空間結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子材料在有機(jī)發(fā)光二極管、有機(jī)太陽能電池、有機(jī)白光照明等領(lǐng)域有廣泛的研究和應(yīng)用。以單鍵連接兩個(gè)共軛鏈的亞三維結(jié)構(gòu)是其中的代表之一。這種單鍵連接的亞三維空間結(jié)構(gòu)不需要引入過多的烷基鏈就可以增加材料的溶解性,并且能夠抑制材料的結(jié)晶性,促使材料形成無定型的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)；分子由單鍵將兩個(gè)共軛鏈連接起來,使得其具有一定的柔性,能夠根據(jù)周圍環(huán)境進(jìn)行分子空間結(jié)構(gòu)的自調(diào)整,確保了在溶液法制備有機(jī)半導(dǎo)體器件時(shí)能夠形成致密有序的分子堆積；亞三維空間結(jié)構(gòu)具有光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的各向同性,有利于提高半導(dǎo)體器件的載流子遷移率。結(jié)合亞三維空間結(jié)構(gòu)分子所具備的獨(dú)特性質(zhì),我們采用聯(lián)苯并噻唑和聯(lián)噻吩為中心單元,構(gòu)筑了一系列具有亞三維空間結(jié)構(gòu)的窄帶隙有機(jī)分子材料,探索這類亞三維結(jié)構(gòu)有機(jī)分子作為電子給體材料在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用。論文主要分為四個(gè)部分： (1)采用5,5’-聯(lián)-2,1,3-苯并噻唑?yàn)楹?分別選用芴和咔唑單元為電子給體作為四臂,通過Stille coupling反應(yīng)制備出具有不同供電子能力的電子給體-受體-給體型有機(jī)小分子太陽能電池給體材料(DFTBTF和DCzTBTCz)。通過分子模擬發(fā)現(xiàn)分子中心核的兩個(gè)苯并噻唑所在平面的二面角約為60°,說明分子具有亞三維空間結(jié)構(gòu)。我們將這兩個(gè)化合物作為電子給體材料,通過與電子受體材料PC71BM共混,采用溶液法制備體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池,均呈現(xiàn)出了一定的光伏性能。其中,DFTBTF的光伏性能為：光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)為0.74%,短路電流(Jsc)為2.47mA/cm2,開路電壓(Voc)為1.09V,填充因子(FF)為27%。 (2)由于第一章中電子給體材料的分子量較小,成膜性相對較差,限制了其光伏性能。我們通過延長四臂共軛長度來提高分子量,從而改善其成膜性能,提高材料對太陽光的吸收能力,進(jìn)而達(dá)到提高光伏器件性能的目的。我們分別制備出了摩爾分子量為4899g/mol的SFTBT和摩爾分子量為5021g/mol的SCzTBT單分散性大分子有機(jī)太陽能電池給體材料,同時(shí)制備出了與之相對應(yīng)的一維線型分子LFTBT和LCzTBT。通過分子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),SFTBT和SCzTBT的中心核的兩個(gè)苯并噻唑所在平面的二面角已經(jīng)超過了70°,表明二者具有亞三維空間結(jié)構(gòu)。通過將一維線型分子LFTBT作為電子給體,PC71BM作為電子受體,制備體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池,其光電轉(zhuǎn)化效率為PCE=2.84%, Jsc=2.95mA/cm2, FF=58.3%, Voc=0.94V;而與之對應(yīng)的亞三維空間結(jié)構(gòu)化合物SFTBT的PCE=3.38%, Voc=1.08V, Jsc=6.75mA/cm2, FF=43%, PCE比一維線型分子LFTBT的光電轉(zhuǎn)化效率提高了19%。亞三維結(jié)構(gòu)的SCzTBT比線型分子LCzTBT的光伏性能也有較大提高。 (3)我們以DHPT-SC為對比樣品,采用3,3'-聯(lián)噻吩為中心核單元,氰基異辛酸酯為拉電子單元,并將其放置于四臂末端,構(gòu)筑具有亞三維空間結(jié)構(gòu)的受體-給體-受體型窄帶隙化合物ST10-CN-1, ST10-CN, ST14-CN和ST18-CN。通過分子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),中心核單元的兩個(gè)噻吩所在平面的二面角已經(jīng)超過了80°,表明這些分子具有亞三維空間結(jié)構(gòu)。通過增加給電子基團(tuán)噻吩的數(shù)目來延長共軛鏈長度,研究不同共軛長度對材料的熱力學(xué),光學(xué)以及電化學(xué)性質(zhì)的影響。并以DHPT-SC為電子給體材料,PC71BM為電子受體材料,采用溶液法制備體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池,其光伏性能為：PCE=1.70%, Jsc=5.35mA/cm2, Voc=0.92V, FF=34.0%; (4)以3,3'-聯(lián)噻吩為核,以苯并噻唑?yàn)槔娮踊鶊F(tuán),合成了具有不同烷基鏈長度的窄帶帶隙化合物SC6BT, SC8BT, SC14BT。通過分子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),中心核單元的兩個(gè)噻吩所在平面的二面角也超過了80°,其中SC8BT接近90。,表明這些分子具有亞三維空間結(jié)構(gòu)。三個(gè)分子分別以正己基,異辛基和正十四烷基為取代基,通過延長烷基鏈的長度來改善材料的溶解性和成膜性,并研究了不同烷基長度取代基對材料的熱力學(xué),光學(xué)以及電化學(xué)性質(zhì)的影響。 (5)采用PdCl2dppf作為催化劑,在沒有聯(lián)硼酸頻那醇酯存在的條件下合成了具有光電特性的聯(lián)芳基化合物2T-CN,4T-CN,6T-CN,并對反應(yīng)中的溶劑,堿和配體進(jìn)行了篩選。其中6T-CN展現(xiàn)出了較好的光伏性能：PCE=2.03%, Voc=0.86V, Jsc=6.24mA/cm2, FF=38%。
[Abstract]:In recent years, the organic molecular material with the sub-three-dimensional space structure has extensive research and application in the fields of organic light-emitting diodes, organic solar cells, organic white light illumination and the like. The sub-three-dimensional structure of two common chain is one of the representatives. The three-dimensional space structure of the single-bond connection does not need to introduce an excessive alkyl chain, so that the solubility of the material can be increased, such that the three-dimensional space structure has the isotropy of optical and electrical properties, And the carrier mobility of the semiconductor device can be improved. A series of narrow-band organic molecular materials with a sub-three-dimensional space structure are constructed by using the unique properties of the sub-three-dimensional space structure molecules, The application of such a sub-three-dimensional structure organic molecule as an electron donor material in an organic solar cell is explored. The thesis is divided into four parts: (1)5,5 '-1-2,1,3-benzo-2,1,3-benzene are used as the core, The electron donor-acceptor-donor-to-body organic small-molecule solar cell donor material (DTBTF and DCzTBTCz) with different electron-donating abilities was prepared by the Stille clinking reaction. The two benzene in the center of the molecule and the dihedral angle of the plane were found to be about 60 by molecular simulation. In this paper, the two compounds are used as electron donor materials, and the two compounds are mixed with PC71BM of the electron acceptor material, and a solution method is adopted to prepare the bulk heterojunction organic solar cell, which has certain photovoltaic performance, and the photovoltaic performance of the DFTBTF The photoelectric conversion efficiency (PCE) was 0.74%, the short-circuit current (Jsc) was 2.47 mA/ cm2, the open-circuit voltage (Voc) was 1.09 V, and the filling factor (FF) was 27. %. (2) Since the molecular weight of the electron donor material in the first chapter is small, the film-forming phase By extending the total length of the four arms to improve the molecular weight, the film-forming property of the four-arm is improved, and the absorption of the material on the sunlight is improved. The invention has the purposes of improving the performance of the photovoltaic device, and respectively preparing the SCTBT with the molar mass-weight of 4899g/ mol and the SCzTBT monodispersity macromolecular organic solar cell with the molar mass-weight of 5021g/ mol In the same time, one-dimensional linear molecules LFTBT and LCzTBT corresponding to them were prepared. The two-plane angles of the two benzene and the plane of the central core of SFTBT and SCzTBT have been exceeded by molecular simulation. By using one-dimensional linear molecule LFTBT as electron donor, PC71BM is used as electron acceptor, and PC71BM is used as electron acceptor, and its photoelectric conversion efficiency is PCE = 2.84%, Jsc = 2.95mA/ cm2, FF = 58.3%, and Voc = 0. The PCE = 3.38%, Voc = 1.08 V, Jsc = 6.75mA/ cm2, FF = 43%, and PCE of the three-dimensional three-dimensional structure compound SFTBT are higher than that of the one-dimensional linear molecule LFTBT by 19%. The photovoltaic performance of the SCzTBT of the sub-three-dimensional structure is higher than that of the linear molecule LCzTBT. Large increase. (3) We use the DHPT-SC In order to compare the samples, a 3,3 '-linked tetradecanoate is used as a central nuclear unit, and the cyanogen-isooctanoic acid ester is a tensile electronic unit and is placed at the tail end of the four arms to construct a receptor-donor-body-type narrow-band gap compound ST10-CN-1, ST10-CN, ST14-CN, and ST having a sub-three-dimensional space structure. 18-CN. It is found by molecular simulation that the two corners of the plane of the central nuclear unit have been more than 80 擄, indicating that these molecules have subthree. By increasing the number of the electron-donating groups to extend the length of the common chain, the thermodynamic, optical and electrochemical properties of the materials are studied. The effect of the properties of PC71BM is the electron donor material, PC71BM is the electron acceptor material, the solution method is used to prepare the bulk heterojunction organic solar cell, the photovoltaic performance is: PCE = 1.70%, Jsc = 5.35 mA/ cm2, Voc = 0.92 V, FF = 34.0%; (4)3,3 '-linked, with benzene and benzene The narrow-band band-gap compound SC6BT, SC8BT and SC14BT with different alkyl chain lengths were synthesized by means of molecular simulation. BT is close to 90. It is shown that these molecules have a sub-three-dimensional structure. The three molecules, respectively, are n-hexyl, isooctyl and n-tetradecyl as substituents, and the solubility and film-forming properties of the materials are improved by extending the length of the alkyl chain, and different alkyl-length substituents are also studied. the thermodynamic, optical, and electrical properties of the material (5) PdCl2dppf is used as a catalyst, and a biaryl compound 2T-CN, 4T-CN, 6T-CN, and the solvent, base and ligand in the reaction are screened, wherein the 6T-CN exhibits better photovoltaic performance: PCE = 2.03%, Voc = 0.86V, Jsc = 6.24 mA/ c
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O626;TM914.4

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2481839