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芴类稠环电子受体的制备与光电性能认领

作者：

范小兵

学位授予单位：

武汉理工大学

摘要：

近几年来,非富勒烯小分子受体材料（SMA）由于其结构明确、制备可控性强、吸收范围广、能级可调控等特点,尤其是对应电池器件性能得到大幅提升,因而在有机太阳能电池领域中受到青睐。非富勒烯受体材料的分子结构通常由共轭骨架、增溶侧链、取代基团三部分组成,因此其分子结构设计围绕这三个部分进行。在非富勒烯小分子上引入杂原子是一种常见的设计策略。目前,杂原子的引入大多是引入杂环（噻吩、呋喃等）,或者是引入含杂原子的烷基侧链。然而,在非富勒烯分子骨架上引入较短的甲氧基或甲硫基,利用O、S原子电负性和可极化性差异来研究其对材料光电性质的影响,这方面的研究鲜有报道。另外,构建A-D-A共轭骨架,其中A和D分别代表吸电子和给电子单元,这一方法已经被公认为合成SMA的最有效策略之一。通过多元稠环的方式扩大以芴为中心单元的梯形稠环芳烃共轭骨架两端共轭平面,能够使小分子的平面性增强,分子间端基π-π相互作用增加有利于分子间电荷传导、有效实现SMAs较强的近红外（NIR）区吸收、以及改善分子堆叠状态,从而可能实现有机太阳能器件性能的提升。基于上述思想,本文主要研究内容如下:1.在芴的3、6位上分别引入甲氧基和甲硫基取代基,制备两种新型小分子非富勒烯受体材料——DICTF-OMe和DICTF-SMe。以聚合物PBDB-T为电子给体,PBDB-T:DICTF-OMe器件的最大光电转换效率为3.36%,Jsc为8.73 mA cm-2;PBDB-T:DICTF-SMe器件的最大PCE为4.68%,Jsc为9.26mA cm-2。从激子解离、载流子输运和复合等过程状态,揭示了器件短路电流较低的原因。测试表明两种器件漏电流现象严重,导致激子解离效率差,光生载流子效率低;两者载流子迁移率均表现出较低水平,且电池器件内部存在明显的单分子和双分子复合行为,极大地降低了载流子的输运与收集效率,最终导致电池器件低性能。2.利用芴结构单元,在获得9,9-二辛基-2,7-双（噻吩并[3,2-b]噻吩-2-基）芴-3,6-二甲酸二甲酯中间体的基础上,通过其与噻吩并噻吩稠结,得到了梯型双（噻吩并[3,2-b]噻吩）并（二环戊并芴）九元稠环共轭骨架（BTTF）,以BTTF作为中心供体单元,用1,1-二氰亚甲基-3-茚酮（IC）作为外围受体单元制备了新的A-D-A型非富勒烯小分子受体（BTTFIC）。BTTFIC小分子吸收宽、且吸光能力强,拥有1.58 eV的窄光学带隙。当分别与典型的宽光学带隙和窄光学带隙的聚合物给体（PBDB-T,1.82 eV.PTB7-Th,1.58 eV）共混制备体异质结电池器件时,表现出较高的载流子迁移率,更加平衡的电子和空穴输运,对应能量转换效率均超过8%（PBDB-T:BTTFIC器件为8.78±0.18%;PTB7-Th:BTTFIC器件为8.18±0.29%）。研究结果显示出梯型BTTF单元制备高性能非富勒烯受体的优势。

摘要译文

关键词：

有机太阳能电池; 非富勒烯受体; 体异质结

学位年度：

2019

学位类型：

硕士

学科专业：

材料科学与工程

导师：

肖生强

中图分类号：

TM914.4[太阳能电池⑨]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储]

D O I：

10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.001171