發(fā)布時(shí)間：2020-07-23 00:16

【摘要】：有機(jī)太陽能電池因其具有柔性、半透明、易于大面積印刷制備等優(yōu)點(diǎn),近年來在科研界引起了廣泛關(guān)注。活性層材料作為有機(jī)太陽能電池研究的關(guān)鍵和基礎(chǔ),在早期的研究主要是基于聚合物給體材料的設(shè)計(jì)合成,近期基于可溶液處理的小分子有機(jī)太陽能電池迅速成為有機(jī)太陽能電池研究的熱點(diǎn)之一,并且已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿�。本論文基�?,8-雙(三異丙基硅乙炔基)苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT-TIPS),5,10-雙(三異丙基硅乙炔基)二噻并[2,3-d:2′,3′-d′]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(DTBDT-TIPS)兩種結(jié)構(gòu)單元,合成了六種小分子受體材料;基于萘二酰亞胺(NDI)結(jié)構(gòu)單元合成了一種聚合物受體材料,并分別對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征,主要內(nèi)容如下:第二章,將1-溴-N,N'-雙(2-己基癸基)傒-3,4,9,10-四甲酸二酰亞胺分別與BDT-TIPS和DTBDT-TIPS通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)合成了兩種有機(jī)小分子BDTTIPS-PDI和DTBDTTIPS-PDI。它們的光學(xué)帶隙分別為1.87 e V和1.72 e V,最高占有分子軌道(HOMO)能級(jí)EHOMO分別為-6.12 e V和-5.94 e V,最低未占有分子軌道(LUMO)能級(jí)ELUMO分別為-4.25 e V和-4.22 e V。以聚合物PBDT-DTNTC6為給體材料,小分子BDTTIPS-PDI和DTBDTTIPS-PDI分別作為受體材料制備有機(jī)太陽能電池器件,當(dāng)PBDT-DTNTC6:BDTTIPS-PDI質(zhì)量比為1:2時(shí),經(jīng)過優(yōu)化之后器件的能量轉(zhuǎn)換效率最高,為2.02%,其開路電壓(Voc)為0.78 V,短路電流(Jsc)為5.52 m A/cm2,填充因子(FF)為47.15%。第三章,將N-(2-乙基己基)-4-溴-1,8-萘酰亞胺和N-(2-乙基己基)-4-(5-溴噻吩-2基)-1,8-萘酰亞胺分別與BDT-TIPS和DTBDT-TIPS通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)合成了四種有機(jī)小分子受體材料BDTTIPS-NPI、BDTTIPS-T-NPI、DTBDTTIPS-NPI和DTBDTTIPS-T-NPI。它們的光學(xué)帶隙分別為2.36 e V、2.19 e V、2.26 e V和1.95 e V,EHOMO分別為-5.99 e V、-5.73 e V、-5.86 e V和-5.51 e V,ELUMO分別為-3.63 e V、-3.54 e V、-3.60e V和-3.56 e V。將2,6-雙(三甲基錫基)-4,8-雙[(5-(2-丁基辛基)硫基)噻吩-2-基]苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩和4,7-雙(5-溴噻吩-2-基)-5,6-二氟-2-(2-己基癸基)-2H-苯并[d][1,2,3]三氮唑通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)合成了聚合物給體材料PBDTTSC12-FTAZ。以聚合物PBDTTSC12-FTAZ為給體材料,分別與四種小分子受體材料以給體受體質(zhì)量比1:1共混后測試了光致發(fā)光特性,結(jié)果表明,聚合物給體PBDTTSC12-FTAZ在摻雜了不同的小分子受體后都出現(xiàn)了熒光淬滅現(xiàn)象,這表明該體系可以作為有機(jī)太陽能電池的活性層材料,器件數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步優(yōu)化。第四章,將5,5'-雙(三甲基錫)-2,2'-(2,3-二氟-1,4-亞苯基)二噻吩和2,6-二溴萘-1,4,5,8-四羧酸-N,N'-雙(2-辛基十二烷基)萘二酰亞胺通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)合成了聚合物PNDI-TBF。聚合物的光學(xué)帶隙為1.70 e V,EHOMO和ELUMO分別為-6.27 e V和-4.45 e V。以聚合物PNDI-TBF作為受體,聚合物PBDTTSC12-FTAZ作為給體制備全聚合物太陽能電池器件,當(dāng)PPBDTTSC12-FTAZ:PNDI-TBF質(zhì)量比為2:1時(shí),器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.09%,其開路電壓為0.91 V,短路電流密度為7.88 m A/cm2,填充因子為43.02%。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O626;TM914.4
【圖文】：

c.本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)圖 d.疊層器件結(jié)構(gòu)圖圖 1.1 有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1.1 Schematic diagram of the structure of organic solar cells體異質(zhì)結(jié)器件本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是將給體材料與受體材料共溶于有機(jī)溶劑中，通過旋涂等方法給受體相互分散、相互滲透的互穿網(wǎng)絡(luò)連續(xù)相活性層結(jié)構(gòu)，也是目前應(yīng)用最為件結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)器件有效縮短了激子的傳輸距離，減少了激子在擴(kuò)散過程中的，從而使其獲得了較高的電流和能量轉(zhuǎn)換效率[18]。層器件疊層器件結(jié)構(gòu)是利用串聯(lián)的方式將兩個(gè)或多個(gè)子電池上下疊加起來從而提高有能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。由于其制備工藝較為復(fù)雜，目前應(yīng)用還比較有限[19]。2 有機(jī)太陽能電池工作原理有機(jī)太陽能電池的工作原理如圖 1.2 所示。在太陽光的照射下，當(dāng)太陽光透indium-tin oxide, 氧化銦錫)電極照射到活性層上時(shí)，構(gòu)成光敏活性層的給體材

發(fā)生電子-空穴對(duì)的分離(如圖1.2b)。電子轉(zhuǎn)移到受體材料的 LUMO 能級(jí)上、空穴保留在給體材料的 HOMO(the highestoccupied molecular orbital，最高占有分子軌道)上(如圖 1.2c)。最后在由正負(fù)極材料功函差所產(chǎn)生的內(nèi)建電場作用下，電子沿受體材料移向負(fù)極，空穴沿給體材料移向正極，空穴和電子分別被陽極和陰極收集形成光電流和光電壓，即產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)(如圖 1.2d)。圖 1.2 有機(jī)聚合物太陽能電池工作原理Figure 1.2 The working principle of organic polymer solar cells1.2.3 有機(jī)太陽能電池的性能參數(shù)表征有機(jī)太陽能電池性能的主要參數(shù)有：(1) 開路電壓 VOC(Open Circuit Current)開路電壓為有機(jī)太陽能電池正負(fù)極斷路時(shí)的電壓，即圖 1.3 中橫坐標(biāo)軸與 J-V 曲線的交點(diǎn)處橫坐標(biāo)的數(shù)值，單位為伏特(V)。對(duì)于本體異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，VOC通常由給體材料的 HOMO 和受體材料的 LUMO 的能級(jí)差成線性關(guān)系。此外，VOC還受很多因素影響，除了受使用的材料的能級(jí)的影響[21-23]

蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文986 年，鄧青云等[29]用銅酞菁(CuPc)、苯并咪唑傒酰亞胺(PV)作為 p 型和 n 型半備了雙層異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池，能量轉(zhuǎn)換效率為 1%，成為了當(dāng)時(shí)有機(jī)太陽究的重大突破。992 年，2000 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者 Heeger[30]研究組發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的電子能夠 MEH-PPV 轉(zhuǎn)移到富勒烯 C60分子，可發(fā)生光誘導(dǎo)超快電荷轉(zhuǎn)移。995 年，Heeger 課題組的俞剛等[31]提出了本體異質(zhì)結(jié)(Bulk heterojunction, BHJ他們以 MEH-PPV 作為給體材料，PC61BM 為受體材料相混合，制備了結(jié)構(gòu)EH-PPV : PC61BM/Ca 的聚合物太陽能電池，器件轉(zhuǎn)換效率達(dá) 2.9%，與活性層H-PPV 的器件相比，能量轉(zhuǎn)化效率提高了 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，這一重要發(fā)現(xiàn)在聚合物池發(fā)展史上具有重要意義。

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本文編號(hào)：2766571