本文選題：有機(jī)太陽能電池 + 小分子給體材料�。� 參考：《吉林大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng),人們對(duì)能源的需求量與日俱增,然而傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量有限且不可再生,同時(shí)無節(jié)制地使用化石能源也引起了嚴(yán)重的環(huán)境問題。太陽能具有取之不盡、分布廣泛、容易收集、無污染等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是理想的下一代能源。目前硅基太陽能電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,但是其制作成本昂貴,能量回收期長(zhǎng),且生產(chǎn)加工過程中會(huì)造成環(huán)境污染。而可溶液加工的有機(jī)太陽能電池具有生產(chǎn)成本低、能量回收期短、質(zhì)量輕、可制作柔性器件、可大面積加工等其他光伏電池?zé)o法替代的優(yōu)點(diǎn),引起了研究者的關(guān)注。有機(jī)太陽能電池的活性層通常采用給體材料和受體材料共混的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),其中給體材料參與了體異質(zhì)結(jié)中激子從產(chǎn)生到分離的全過程,因此其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)有機(jī)太陽能電池的性能具有至關(guān)重要影響。為了滿足商業(yè)化目標(biāo),需要在有機(jī)太陽能電池給體材料的設(shè)計(jì)合成方面進(jìn)行更多的創(chuàng)新和探索。為了獲得高性能的有機(jī)太陽能電池給體材料,一種非常有效的策略是設(shè)計(jì)合成給體-受體(D-A)型分子結(jié)構(gòu),用給電子單元和吸電子單元在分子主鏈上交替連接。使用D-A型分子結(jié)構(gòu)不僅可以利用給受體單元之間的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移來拓寬目標(biāo)分子的吸收光譜,而且可以通過選擇不同給體、受體單元來調(diào)節(jié)聚合物的HOMO、LUMO能級(jí)結(jié)構(gòu)。本論文基于D-A型分子設(shè)計(jì)理念,引入具有強(qiáng)吸電子能力的四嗪和氟取代的苯并噻二唑作為受體單元來降低目標(biāo)分子的HOMO能級(jí),同時(shí)在給電子結(jié)構(gòu)單元、分子側(cè)鏈、π橋長(zhǎng)度以及分子量等方面做出調(diào)節(jié)改變,共合成了四種小分子給體材料和兩種聚合物給體材料,并對(duì)它們的光伏性能展開了系統(tǒng)的研究,均取得了較高的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)。同時(shí)研究了D-A型有機(jī)材料中給體、受體單元的選擇、共軛長(zhǎng)度以及側(cè)鏈對(duì)材料的吸收性質(zhì)、能級(jí)結(jié)構(gòu)、載流子遷移率和活性層微觀形態(tài)的影響,進(jìn)而揭示分子結(jié)構(gòu)與光伏性能之間的關(guān)系。在第二章中,我們以烷氧基或烷基噻吩側(cè)鏈的苯并二噻吩(BDT)為中心給體單元,噻吩或聯(lián)噻吩為π橋,四嗪為受體單元,聯(lián)噻吩或三聯(lián)噻吩為端基給體單元,設(shè)計(jì)合成了四種d2-a-π-d1-π-a-d2型小分子給體bdt(ttzt)2、bdt(ttz2t)2、tbdt(ttzt)2和tbdt(ttz2t)2。光學(xué)和電化學(xué)研究表明這些合成的分子具有300~700nm的較寬的吸收范圍和適合激子分離的能級(jí)。四嗪?jiǎn)卧囊胗行У亟档土朔肿拥膆omo能級(jí),從而提高了材料在空氣中的穩(wěn)定性和光伏器件的開路電壓(voc)。對(duì)比四種分子的光電性能發(fā)現(xiàn),延伸主鏈上π橋和端基的長(zhǎng)度導(dǎo)致homo能級(jí)的上移,使器件的voc降低,但由于吸收范圍和吸收系數(shù)的提高使jsc的提升較大,彌補(bǔ)了voc較低的缺陷,從而使pce得到提升。而用烷基噻吩共軛側(cè)鏈替換烷氧基側(cè)鏈可以使分子的homo能級(jí)降低,帶隙增寬但是吸收系數(shù)提高,同時(shí)使活性層微觀納米形態(tài)得到顯著改善,使器件的voc和ff顯著提高而jsc保持相似,從而提高了pce。四個(gè)分子中具有噻吩共軛側(cè)鏈和長(zhǎng)共軛主鏈的分子tbdt(ttz2t)2取得了最優(yōu)的光伏性能,pce達(dá)到6.56%,voc、jsc和ff分別為0.94v、10.69macm-2和65.3%。bdt(ttzt)2、bdt(ttz2t)2和tbdt(ttzt)2的pce分別為5.01%、5.29%、6.10%。在第三章中,我們以二噻吩并噻咯(dts)為給體單元,雙氟取代的二噻吩-苯并噻二唑(dtffbt)為受體單元,通過stille聚合反應(yīng)合成了窄帶隙聚合物poly{4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole-alt-5,6-difluoro-4,7-bis(4-hexylthiophen-2-yl)-2,1,3-benzothiadiazole}(pdts-dtffbt),并通過優(yōu)化聚合物反應(yīng)條件制備了分子量為9kda、16kda和36kda的三組pdts-dtffbt,研究了該聚合物分子量對(duì)最終光伏器件性能的影響。通過紫外-可見吸收和電化學(xué)循環(huán)伏安研究,發(fā)現(xiàn)該聚合物pdts-dtffbt展現(xiàn)了寬而強(qiáng)的吸收,吸收帶邊達(dá)到800nm。在苯并噻二唑(bt)單元上引入的兩個(gè)氟原子有效地降低了目標(biāo)聚合物pdts-dtffbt的homo和lumo能級(jí)。隨著分子量從9kda增加到36kda,該聚合物的homo能級(jí)逐漸上移,吸收光譜進(jìn)一步紅移,并且高分子量的聚合物pdts-dtffbt具有更高的載流子遷移率、更平整的活性層表面和更小的共混膜相分離尺寸。受這些性質(zhì)變化的影響,隨著分子量的增加,基于該聚合物的太陽能電池的jsc和pce獲得了明顯的提升,基于36kda的pdts-dtffbt的電池器件由于具有較高的短路電流(15macm-2)和填充因子(0.63),取得了最高的能量轉(zhuǎn)換效率6.40%。在第四章,我們針對(duì)pdts-dtffbt為給體的聚合物太陽能電池的voc仍比較低這一問題,采用了給電子能力較弱的苯并二噻吩(bdt)單元來替代dts單元與dtffbt單元共聚,在bdt結(jié)構(gòu)單元的4,8位上引入大支鏈的2-辛基十二烷氧基側(cè)鏈來增加目標(biāo)聚合物的溶解性,合成了高分子量的聚合物給體Poly{4,8-bis(2-octyldodecyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-alt-5,6-difluoro-4,7-bis(4-hexylthiophen-2-yl)-2,1,3-benzothiadiazole}(PBDT-DTffBT)。PBDT-DTffBT的數(shù)均分子量達(dá)到46 kDa,且具有良好的成膜性,易溶于常見的普通有機(jī)溶劑。紫外-可見吸收光譜測(cè)得該聚合物對(duì)350~750 nm范圍的光子具有較強(qiáng)的吸收。采用弱給體單元BDT替換DTS單元有效地使聚合物的HOMO能級(jí)降低至-5.32 eV,相應(yīng)地聚合物太陽能電池的VOC提升至0.86 V。最后我們通過改變聚合物給體(PBDT-DTffBT)和PC71BM受體材料的質(zhì)量比、活性層溶劑、熱退火條件以及DIO溶劑添加劑處理等方式對(duì)活性層共混膜質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化,獲得了較理想的共混形態(tài)和相分離尺寸,使基于PBDT-DTffBT的聚合物太陽能電池的JSC和FF分別提升至15.2 mA cm-2和0.69,PCE達(dá)到9.03%。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM914.4

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