【摘要】：經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)能源,在化石能源日益匱乏和環(huán)境亟待保護(hù)的雙重制約下,能源和環(huán)境問(wèn)題已成為全球急需解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。太陽(yáng)能具有取之不盡、用之不竭,安全、無(wú)污染、沒(méi)有地域限制等優(yōu)勢(shì),已成為世界各國(guó)新能源研究的熱點(diǎn)。其中,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的太陽(yáng)能電池技術(shù)是近年來(lái)世界各國(guó)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向。有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)由于具有材料選擇范圍寬、結(jié)構(gòu)易調(diào)節(jié)、制備工藝簡(jiǎn)單、器件易大面積柔性化等優(yōu)點(diǎn),已成為太陽(yáng)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(jiǎn)單闡述了有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程,系統(tǒng)地歸納了有機(jī)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(duì)目前有機(jī)太陽(yáng)能電池高轉(zhuǎn)化效率給體材料種類(lèi)有限、分子結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系尚不清晰等問(wèn)題,設(shè)計(jì)合成了系列基于噻吩或噻吩并芳基單元的D-A型有機(jī)小分子和聚合物太陽(yáng)能電池給體材料,并表征了有機(jī)小分子光伏給體材料和聚合物單元的分子結(jié)構(gòu),研究了目標(biāo)光伏材料的光物理、電化學(xué)、電荷傳輸性能,利用理論計(jì)算模擬了目標(biāo)化合物的分子結(jié)構(gòu)和軌道能級(jí),研究了目標(biāo)光伏材料在溶液加工型本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池器件(OPV)中的光伏性能。揭示了分子結(jié)構(gòu)與材料光伏性能的關(guān)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?jī)?nèi)容如下:1)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子給體材料。通過(guò)對(duì)比相應(yīng)只含強(qiáng)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(duì)小分子光譜吸收、電化學(xué)能級(jí)、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(jí)�；贐DTT(TPD-DPP)_2小分子光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)達(dá)到了4.25%,短路電流(J_(sc))為10.08 m A/cm~2。2)設(shè)計(jì)合成了基于引達(dá)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?yàn)槟┒朔蓟鶈卧腄(A-Ar)_2型有機(jī)小分子給體材料,系統(tǒng)地研究了末端Ar基團(tuán)對(duì)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(dá)到了5.99%,其J_(sc)、開(kāi)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(lán)為雙受體A1和A2單元,連噻吩(2T)或三噻吩(3T)為給體單元設(shè)計(jì)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(zhǎng)度以及氟原子取代對(duì)聚合物性能的影響。結(jié)果顯示,延長(zhǎng)給體長(zhǎng)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(jí)。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(dá)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(shè)計(jì)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(xué)、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(lèi)聚合物具有較寬的光學(xué)帶隙和較低HOMO能級(jí)特征。結(jié)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(dá)到了7.49%,V_(oc)高達(dá)1.03V。5)設(shè)計(jì)合成了茚并噻吩(IT)和噻吩并苯并異吡喃(TC)的不對(duì)稱(chēng)給體單元,以該類(lèi)不對(duì)稱(chēng)單元為給體D單元,苯并噻二唑或含氟取代的苯并噻二唑?yàn)锳單元合成了一系列具有不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的D-A型聚合物光伏給體材料。結(jié)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(dá)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(lèi)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(shí),PCE也達(dá)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(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4;O626
【圖文】：

并且實(shí)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(gòu)成的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)，其 PCE 值最高為 12%左右[3-4]，3) 以有機(jī)共軛分子為光敏化材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池 (OSCs)，目前 PCE 值也突破了 13%[5-7]。4) 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，近幾年來(lái)，新型的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的 PCE 達(dá)到了 20%[8-11]。無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池因其制備成本高、加工過(guò)程能量損耗大、廢棄產(chǎn)品造成環(huán)境污染等問(wèn)題，一定程度上限制了其推廣與應(yīng)用。染料敏化太陽(yáng)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(yán)重的重金屬污染等缺點(diǎn)。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池盡管其光電轉(zhuǎn)換效率高，近幾年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，然而其器件制備復(fù)雜、性能重復(fù)性差且使用壽命低，也將制約其廣泛應(yīng)用。相比于以上幾種太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池則具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[12-14]：1)材料來(lái)源廣、有機(jī)共軛分子千變?nèi)f化、種類(lèi)繁多，且結(jié)構(gòu)易于調(diào)節(jié)，可通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改善器件性能；2) 質(zhì)量輕制備成本低；3)可通過(guò)溶液加工旋涂的方法或利用印刷和打印技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)大面積柔性太陽(yáng)能電池器件的制作。有機(jī)太陽(yáng)能電池輕、薄、可大面積柔性制備等特點(diǎn)，賦予了這類(lèi)電池在便攜式太陽(yáng)能充電設(shè)備和發(fā)電式窗戶(hù)、建筑外墻等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景 (如圖 1.1 所示)，因此，有機(jī)太陽(yáng)能電池受到科研工作者越來(lái)越多的研究和重視。

有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程機(jī)太陽(yáng)能電池經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，最初的太陽(yáng)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(jié)構(gòu)[15]材料，由于較大的激子束縛能，不易分離，有限的擴(kuò)散激子距離使收集，電池器件效率非常低，有機(jī)太陽(yáng)能電池在此時(shí)期也并未受到986 年，美國(guó)柯達(dá)公司鄧青云博士(C.W.Tang) 將酞菁銅絡(luò)合物 (Cu基傒類(lèi)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(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池雙層膜結(jié)構(gòu)，制備雙層太，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到 1%左右。這是一個(gè)成功的思路，為有機(jī)太陽(yáng)拓了一個(gè)新的方向，時(shí)至今日這種雙層膜異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)仍然是有機(jī)究的重點(diǎn)之一。

圖 1.3 本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖人們對(duì)有機(jī)共軛光伏材料開(kāi)發(fā)、器件結(jié)構(gòu)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(lái)的 D-A 型光活性層給體材料得到迅速發(fā)展，種類(lèi)千變?nèi)f化，器件的 P；另一方面器件制備工藝不斷進(jìn)步，從最開(kāi)始的正型器件，發(fā)疊層器件；對(duì)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(jié)太陽(yáng)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(zhuǎn)化效率分別達(dá)到了 11.7%[5]和 11.3 的 PCE 也已經(jīng)突破了 12%[20]，這標(biāo)志著有機(jī)太陽(yáng)能電池距離近了一步。

本文編號(hào)：2792686