含噻吩或噻吩稠環(huán)單元的有機(jī)光伏材料的合成及其性能研究.pdf

1、21世紀(jì)以來，開發(fā)新型可持續(xù)發(fā)展的清潔能源已經(jīng)成為解決全球能源危機(jī)的關(guān)鍵，而有機(jī)太陽能電池由于能夠有效利用可再生的太陽能產(chǎn)生電能以及具有質(zhì)量輕、可大面積制造等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的重視。本論文系統(tǒng)闡述了有機(jī)太陽能電池的發(fā)展進(jìn)程和工作原理，著重介紹了幾種高效的有機(jī)太陽能電池給體材料。針對(duì)目前有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率不高、高效給體材料種類較少等問題，設(shè)計(jì)合成了系列基于噻吩和噻吩稠環(huán)單元的有機(jī)太陽能電池給體材料，并表征了化合物的分子結(jié)構(gòu)，研

2、究了目標(biāo)光伏材料的光物理性能及其在本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件中的光伏性能。闡述了材料分子結(jié)構(gòu)對(duì)電池器件性能的影響，篩選獲得了性能優(yōu)良的有機(jī)太陽能電池給體材料。本論文的研究內(nèi)容如下：
　　1)設(shè)計(jì)合成了基于苯并二噻吩與喹喔啉單元以及基于苯并二噻吩與異靛藍(lán)單元的具有不同間隔基團(tuán)的供體-受體(D-A)型窄帶隙聚合物，闡明了間隔基團(tuán)結(jié)構(gòu)與個(gè)數(shù)對(duì)聚合物的光物理性能以及器件光伏性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，基于噻吩單元的聚合物 PBDTT-TQ和二噻吩

3、單元的 PBDT-BTI呈現(xiàn)出了更好的光伏性能。其中，基于聚合物 PBDTT-TQ的光伏電池能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)、短路電流(Jsc)、開路電壓(Voc)和填充因子(FF)分別為5.9％、13.77 mA/cm2、0.77 V和56.0％；基于聚合物PBDT-BTI光伏器件(PSCs)的PCE、Jsc、Voc和FF值分別為7.31％、0.72 V、14.96 mA/cm2和68.1％。
　　2)設(shè)計(jì)合成了基于二噻吩基噻吩并噻吩單元

4、和吡咯并吡咯二酮單元以及基于引達(dá)省并二噻吩單元和喹喔啉單元的兩個(gè)系列 D-A型二維共軛聚合物。研究發(fā)現(xiàn)：在第一系列的D-A型聚合物中，具有較好分子平面性的聚合物PBTST-DPP顯示了更好的光伏性能，其PSCs器件的PCE為2.12％；在第二系列的D-A型聚合物中，含間位烷基的聚合物PIDTTQ-m光伏器件的PCE值達(dá)到了7.8％(Voc=0.88 V,Jsc=12.9 mA/cm2,FF=69.0％)。
　　3)以引達(dá)省并二噻吩

5、和噻吩單元作為D單元、喹喔啉單元作為A單元，設(shè)計(jì)合成了D-A-A型和 D-A1-D-A2型窄帶隙聚合物。研究結(jié)果顯示，相對(duì)于常規(guī)的D-A型聚合物，D-A-A型聚合物的紫外吸收范圍更為寬廣，對(duì)太陽光的利用率更高。在聚合物太陽能電池器件中，D-A-A型聚合物PIDT-DTQ-TT具有較好的光伏性能，器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了6.63％(Voc=0.83 V,Jsc=12.43 mA/cm2，F(xiàn)F=65.3％)；D-A1-D-A2型聚合物PTQ

6、TI-F光伏器件的PCE值達(dá)到了6.32％，Jsc、Voc和FF分別為12.58 mA/cm2、0.93 V和54.0％。
　　4)設(shè)計(jì)合成了含六噻吩并二苯稠環(huán)單元和聯(lián)二噻吩單元的 D1-D2型聚合物 PBTFT。研究結(jié)果表明，聚合物PBTFT具有很好的分子平面性，并且其薄膜狀態(tài)下具有良好的堆積性能。有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件結(jié)果顯示，PBTFT具有較好的電荷傳輸性能，其空穴遷移率最高可達(dá)0.028 cm2v-1s-1；在結(jié)構(gòu)為ITO/

7、PEDOT:PSS/Active Layer/Ca/Al的太陽能電池器件中，當(dāng)給受體材料比例為1:2、退火溫度為150 ℃時(shí)，器件的光伏性能最好，其PCE值達(dá)到了3.0％。
　　5)設(shè)計(jì)合成了以五噻吩并二苯為D單元、苯并噻二唑?yàn)锳單元的D-A型小分子光伏給體材料FT1，以及以六噻吩并二苯為D單元、苯并噻二唑?yàn)锳單元的小分子光伏給體材料FT2和FT3。結(jié)果表明：化合物FT1、FT2和FT3均具有良好的熱穩(wěn)定性能和分子平面性；多噻吩稠