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基于并噻吩环戊二烯的非富勒烯小分子受体材料的合成及光伏性能研究认领

作者：

王凯丽

学位授予单位：

重庆大学

摘要：

近年来,有机太阳能电池(OSCs)发展迅速,其能量转换效率(PCE)不断提高。电子给体和电子受体材料的本体异质结混合物是溶液法制备有机光伏器件中的关键组分。在过去的几十年中,共轭聚合物和富勒烯衍生物分别是最常用的电子给体和电子受体。然而器件性能的提高大多数都来自新型聚合物给体的设计,富勒烯及其衍生物类在有机电池受体材料中一直都占据着主导地位。最近,非富勒烯受体材料,特别是小分子和低聚物,已成为一种有前景的替代品来取代富勒烯衍生物。与富勒烯相比,这些新的受体通常具有多样化的合成路线,具有较好的化学,热和光稳定性,易于功能化为其光电子和电化学性能提供了极好的可调性。在过去的五年中,已经有很多个非富勒烯受体小分子被合成,以非富勒烯小分子为受体的有机太阳能光电转换效率急剧增加,从2013年的约4%增加到2019年的>15%,其器件效率也超过了富勒烯体系,使得非富勒烯小分子受体材料受到了愈来愈多的关注与研究。本文回顾了有机太阳能电池的发展史和研究现状、体异质结太阳能电池小分子受体材料的研究进展,以及体异质结太阳能电池的结构、原理和几个主要表征参数,并且以此为参考设计并合成了一系列非富勒烯小分子受体材料。并对这些受体材料的热稳定性、光物理性质、电化学性能进行了研究并探究了非富勒烯小分子受体材料结构和光电转换效率的关系。具体的研究工作如下:(1)设计合成了以二聚的并噻吩环戊二烯(CPDT)为中心给电子单元(D)、氰基茚满二酮、甲基化-氰基茚满二酮、氟代-氰基茚满二酮和氯代-氰基茚满二酮分别为末端吸电子基团(A)的A-D-A型共轭非富勒烯小分子受体材料CPDT、CPDT-Me、CPDT-4F和CPDT-4Cl。详细研究了不同吸电子能力的末端基团对小分子的光物理、电化学和光伏性能的影响。四种小分子受体合成简单产率高,尤其是CPDT-4F和CPDT-4Cl具有较宽的吸收光谱且吸收边红移至940nm,归因于末端基团取代位点的电负性的增加,可以有效的使材料吸收发生红移。经过系统优化,以PBDB-T为给体、CPDT-4F和CPDT-4Cl分别为受体的有机太阳能电池的PCE分别达到9.47%和9.28%,且具有较高的短路电流(Jsc)。但是其器件的开路电压和材料的溶解度不太理想,为了进一步的提高有机太阳能电池的综合性能,我们从分子水平的角度出发对以上两个方面进行改进,合成了以下两种材料。(2)结合本课题前一章的研究内容,对CPDT-ME和CPDT-4Cl两种材料进行改进,合成了2种新的A-D-A型的非富勒烯小分子受体材料CPDT-Me-2Eh和CPDT-4Cl-2Eh。基于CPDT-Me-2Eh和CPDT-4Cl-2Eh分别作为受体和宽带隙PBDB-T作为给体材料构筑了正置结构的器件的最优效率为4.39%和7.39%。试想通过对D单元烷基侧链的改进来提高材料的溶解度和器件的开路电压等。其测试结果显示,基于两种材料所对应的溶解度和器件的开路电压得到了预期改进,但是器件的光电效率却有所下降。这是由于烷基链的改变影响了分子的堆积和膜形貌等。

摘要译文

关键词：

有机太阳能电池; 非富勒烯受体; 近红外吸收; A-D-A型结构; 溶液法制备

学位年度：

2019

学位类型：

硕士

学科专业：

化学工程（专业学位）

导师：

李哲峰

中图分类号：

TM914.4[太阳能电池⑨];O626.12[硫杂茂（噻吩）族]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储];070303[有机化学];081704[应用化学]

D O I：

10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000057