【摘要】：經(jīng)濟社會的發(fā)展離不開能源,在化石能源日益匱乏和環(huán)境亟待保護的雙重制約下,能源和環(huán)境問題已成為全球急需解決的重點和難點問題。太陽能具有取之不盡、用之不竭,安全、無污染、沒有地域限制等優(yōu)勢,已成為世界各國新能源研究的熱點。其中,將太陽能轉換成電能的太陽能電池技術是近年來世界各國太陽能開發(fā)與應用的重點研究方向。有機太陽能電池(OSCs)由于具有材料選擇范圍寬、結構易調(diào)節(jié)、制備工藝簡單、器件易大面積柔性化等優(yōu)點,已成為太陽能電池研究與發(fā)展的主要方向,并獲得飛速的發(fā)展。本論文簡單闡述了有機太陽能電池的發(fā)展歷程,系統(tǒng)地歸納了有機小分子和聚合物給體材料以及非富勒烯受體材料的研究現(xiàn)狀。針對目前有機太陽能電池高轉化效率給體材料種類有限、分子結構與性能之間的關系尚不清晰等問題,設計合成了系列基于噻吩或噻吩并芳基單元的D-A型有機小分子和聚合物太陽能電池給體材料,并表征了有機小分子光伏給體材料和聚合物單元的分子結構,研究了目標光伏材料的光物理、電化學、電荷傳輸性能,利用理論計算模擬了目標化合物的分子結構和軌道能級,研究了目標光伏材料在溶液加工型本體異質(zhì)結太陽能電池器件(OPV)中的光伏性能。揭示了分子結構與材料光伏性能的關系,篩選獲得了性能優(yōu)良的給體小分子和聚合物材料。本論文的研究內(nèi)容如下:1)設計合成了基于吡咯并吡咯二酮(DPP)與噻吩并吡咯二酮(TPD)雙受體單元、具有D(A-A')_2結構的有機小分子給體材料。通過對比相應只含強受體DPP單元的A-D-A型小分子,系統(tǒng)地研究了弱受體單元TPD的引入對小分子光譜吸收、電化學能級、分子平面性以及光伏性能的影響。其中D(A-A')_2型分子具有更寬的光譜吸收、更低的LUMO能級�；贐DTT(TPD-DPP)_2小分子光伏器件的光電轉換效率(PCE)達到了4.25%,短路電流(J_(sc))為10.08 m A/cm~2。2)設計合成了基于引達省并二噻吩(IDT)為中心給體單元,苯并噻二唑(BT)或氟取代苯并噻二唑(DFBT)為受體單元,3-位連接咔唑為末端芳基單元的D(A-Ar)_2型有機小分子給體材料,系統(tǒng)地研究了末端Ar基團對小分子自組裝和堆積行為以及光伏性能的影響。其中含氟原子取代的小分子IDT(DFBT-3Cz)_2顯示出較好的光伏性能,其BHJ-OPV器件的PCE達到了5.99%,其J_(sc)、開路電壓(V_(oc))和填充因子(FF)分別為10.59 m A/cm~2、0.95 V和59.58%。3)以喹喔啉和異靛藍為雙受體A1和A2單元,連噻吩(2T)或三噻吩(3T)為給體單元設計合成了一系列具有D-A_1-D-A_2型窄帶隙聚合物給體材料,系統(tǒng)地研究了給體噻吩單元長度以及氟原子取代對聚合物性能的影響。結果顯示,延長給體長度可以有效的拓寬聚合物的吸收光譜,氟原子的引入可以降低電子最高占有軌道(HOMO)能級。給體單元為3T以及含氟原子取代的聚合物P3TQTI-F光伏性能最好,器件的PCE值達到了7.0%,J_(sc)、V_(oc)和FF分別為15.49 m A/cm~2、0.67 V和67.4%。4)設計合成了一種新型的弱吸電子受體單元:苯并二噻吩-2,6-二羧酸酯(V-BDTC),合成了一系列基于該受體單元和不同給體D單元的D-A型寬帶隙聚合物光伏材料。系統(tǒng)地研究了聚合物的光物理、電化學、分子平面性以及光伏性能。研究表明:V-BDTC本身的弱吸電子性質(zhì)賦予了該類聚合物具有較寬的光學帶隙和較低HOMO能級特征。結果顯示以二維苯并二噻吩(BDTT)為給體單元的聚合物PV-BDTC2具有較好的光伏性能,其PCE值達到了7.49%,V_(oc)高達1.03V。5)設計合成了茚并噻吩(IT)和噻吩并苯并異吡喃(TC)的不對稱給體單元,以該類不對稱單元為給體D單元,苯并噻二唑或含氟取代的苯并噻二唑為A單元合成了一系列具有不對稱結構的D-A型聚合物光伏給體材料。結果表明:基于茚并噻吩單元的聚合物具有很好溶解性和電荷傳輸性能,其中聚合物PIT2FBT(n-Do)的PCE高達9.23%,J_(sc)、V_(oc)和FF分別為13.63 m A/cm~2、0.90 V和75.2%。相比于IT類聚合物,基于TC單元的聚合物具有更寬的吸收光譜和更好的分子平面性,基于PTC2FBT的聚合物BHJ器件在不做任何優(yōu)化處理時,PCE也達到了9.06%,J_(sc)、V_(oc)和FF分別為15.3 m A/cm~2、0.85 V和69.7%。
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.4;O626
【圖文】：

并且實現(xiàn)了商品化生產(chǎn)[1-2]；2) 由光敏電極和液態(tài)電解質(zhì)構成的染料敏化太陽能電池(DSSC)，其 PCE 值最高為 12%左右[3-4]，3) 以有機共軛分子為光敏化材料的有機太陽能電池 (OSCs)，目前 PCE 值也突破了 13%[5-7]。4) 鈣鈦礦太陽能電池，近幾年來，新型的鈣鈦礦太陽能電池的 PCE 達到了 20%[8-11]。無機太陽能電池因其制備成本高、加工過程能量損耗大、廢棄產(chǎn)品造成環(huán)境污染等問題，一定程度上限制了其推廣與應用。染料敏化太陽能電池，其液態(tài)的電解質(zhì)增大了器件制備難度，且具有一定毒性、存在嚴重的重金屬污染等缺點。鈣鈦礦太陽能電池盡管其光電轉換效率高，近幾年來成為研究熱點，然而其器件制備復雜、性能重復性差且使用壽命低，也將制約其廣泛應用。相比于以上幾種太陽能電池，有機太陽能電池則具有以下幾個優(yōu)點[12-14]：1)材料來源廣、有機共軛分子千變?nèi)f化、種類繁多，且結構易于調(diào)節(jié)，可通過分子結構設計來改善器件性能；2) 質(zhì)量輕制備成本低；3)可通過溶液加工旋涂的方法或利用印刷和打印技術進行大規(guī)模生產(chǎn)，實現(xiàn)大面積柔性太陽能電池器件的制作。有機太陽能電池輕、薄、可大面積柔性制備等特點，賦予了這類電池在便攜式太陽能充電設備和發(fā)電式窗戶、建筑外墻等方面具有非常廣闊的應用前景 (如圖 1.1 所示)，因此，有機太陽能電池受到科研工作者越來越多的研究和重視。

有機太陽能電池的發(fā)展歷程機太陽能電池經(jīng)歷了近半個世紀的發(fā)展歷程，最初的太陽能電池s 和 Calvin 等人于 1958 年提出，器件為單一的同質(zhì)活性層結構[15]材料，由于較大的激子束縛能，不易分離，有限的擴散激子距離使收集，電池器件效率非常低，有機太陽能電池在此時期也并未受到986 年，美國柯達公司鄧青云博士(C.W.Tang) 將酞菁銅絡合物 (Cu基傒類衍生物 (PV) 分別作為電子給體材料(p-型) 和電子受體材料 1.2 所示)[16]。模仿無機異質(zhì)結太陽能電池雙層膜結構，制備雙層太，光電轉化效率達到 1%左右。這是一個成功的思路，為有機太陽拓了一個新的方向，時至今日這種雙層膜異質(zhì)結的結構仍然是有機究的重點之一。

圖 1.3 本體異質(zhì)結太陽能電池的器件結構示意圖人們對有機共軛光伏材料開發(fā)、器件結構和制備工藝的不斷優(yōu)池發(fā)展迅速。從最初的聚噻吩衍生物 (P3HT) 到后來的 D-A 型光活性層給體材料得到迅速發(fā)展，種類千變?nèi)f化，器件的 P；另一方面器件制備工藝不斷進步，從最開始的正型器件，發(fā)疊層器件；對活性層的優(yōu)化方法也出現(xiàn)多元化，以及界面修飾本體異質(zhì)結太陽能電池(BHJ-OPV)呈現(xiàn)出了前所未有的發(fā)展，小分子 BHJ-OPV 的能量轉化效率分別達到了 11.7%[5]和 11.3 的 PCE 也已經(jīng)突破了 12%[20]，這標志著有機太陽能電池距離近了一步。

本文編號：2792686