發(fā)布時(shí)間：2020-05-12 10:25

【摘要】：近些年來(lái),由于能源緊缺和污染的問(wèn)題,尋找可替代傳統(tǒng)化石能源的清潔能源成為了急需解決的問(wèn)題。太陽(yáng)能具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn),因而人們可以利用太陽(yáng)能作為新的清潔能源。與傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池相比,有機(jī)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本低、可柔性制備、生產(chǎn)過(guò)程安全低污染,正在發(fā)展成為新一代的太陽(yáng)能電池。有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層材料主要分為給體材料和受體材料。給體材料包括聚合物給體材料和小分子給體材料。受體材料包括富勒烯衍生物受體和非富勒烯受體。富勒烯衍生物受體材料在可見(jiàn)光區(qū)域的吸收較差、合成和純化困難、能級(jí)難以調(diào)控,這限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。目前基于非富勒烯受體材料的單層太陽(yáng)能電池器件已經(jīng)達(dá)到了 14%的效率,超過(guò)了富勒烯衍生物有機(jī)太陽(yáng)能電池。設(shè)計(jì)與合成新型非富勒烯受體材料是提高光電轉(zhuǎn)換效率的核心。本論文圍繞新型非富勒烯小分子受體材料的設(shè)計(jì)與合成,研究非富勒烯小分子受體材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,主要內(nèi)容如下:1.設(shè)計(jì)并合成了兩種基于咔唑的小分子受體材料CzC6C8和CzC8。這兩種材料具有不同的側(cè)鏈,通過(guò)對(duì)側(cè)鏈的改變研究側(cè)鏈對(duì)膜形態(tài)及光伏性能的影響。其中基于PBT:CzC6C8的太陽(yáng)能電池器件能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 3.30%,而基于PBT:CzC8的太陽(yáng)能電池器件能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 4.61%。且通過(guò)使用三種具有相似LUMO能級(jí)和不同HOMO能級(jí)的聚合物給體材料證明了基于CzC8的器件在給受體LUMO能級(jí)差較小時(shí)仍能得到好的能量轉(zhuǎn)換效率。2.設(shè)計(jì)并合成了兩種稠環(huán)小分子受體材料ITIC-m-SC8和ITIC-m-FSC8。ITIC-m-FSC8的側(cè)鏈上引入了氟原子,研究了側(cè)鏈上氟原子的引入對(duì)膜形態(tài)及光伏性能的影響。基于PBDB-ST:ITIC-m-SC8的器件得到了 6.53%的能量轉(zhuǎn)換效率,而基于PBDB-ST:ITIC-m-FSC8的器件得到了 7.17%的能量轉(zhuǎn)換效率。我們發(fā)現(xiàn)側(cè)鏈上引入氟原子會(huì)增強(qiáng)分子間作用力,增強(qiáng)分子聚集,有利于電荷傳輸。3.設(shè)計(jì)并合成了兩種窄帶隙的稠環(huán)電子受體TTIC和TTIC-M。通過(guò)在核的中心引入噻吩并噻吩結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了核的給電子能力和內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移作用,從而使材料的吸收紅移到了近紅外區(qū),極大地?cái)U(kuò)展了給受體材料共混膜的吸光范圍�；�于PBDB-T:TTIC的器件得到了 10.61%的能量轉(zhuǎn)換效率,基于PBDB-T:TTIC-M的器件得到了 11.48%的能量轉(zhuǎn)換效率。其中,11.48%是目前為止基于非富勒烯窄帶隙(1.45 eV)受體材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池最高效率之一。
【圖文】：

？邐ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑0邋ｈｏｌｅ逡逑圖１－１有機(jī)太陽(yáng)能電池工作原理示意圖１ｎ］逡逑Ｆｉｇ．１－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｆｏｒ邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ逡逑１．２．３有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)逡逑因?yàn)樵隗w異質(zhì)結(jié)中，給體材料與受體材料能夠形成雙連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，逡逑這種結(jié)構(gòu)可以提高給受體的界面面積、使激子的傳輸距離變短、降低電子空穴的逡逑再?gòu)?fù)合可能性，因而能夠提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)己經(jīng)成逡逑為近來(lái)來(lái)太陽(yáng)能電池器件的主流結(jié)構(gòu)。體異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)主要分為正置器件結(jié)構(gòu)逡逑和倒置器件結(jié)構(gòu)。如圖ｌ－２（ａ）所示，倒置器件結(jié)構(gòu)為ＩＴＯ／ＺｎＯ／活性層／Ｍｎ０３／Ａｇ。逡逑其中，ＩＴＯ是陰極；ＺｎＯ是電子傳輸層；活性層為給受體材料共混而成；Ｍｎ０３逡逑是空穴傳輸層，，Ａｇ或者Ａｕ則是陽(yáng)極。如圖ｌ－２（ｂ）所示，正置器件結(jié)構(gòu)為逡逑ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ／活性層／Ａ１。其中，ＩＴＯ是陽(yáng)極；ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ是陽(yáng)極緩沖層，可逡逑以傳輸空穴同時(shí)阻擋電子？；＞活性層為給受體材料共混而成；低功函的鋁或銀則是逡逑陰極。在活性層和陰極之間可以加入陰極界面層，通常為ＬｉＦ或ＰＦＮ，可以傳輸逡逑電子阻擋空穴進(jìn)入

ＺｎＯ邐疆■ＢＢＳＳＳＳＰ邐Ｇｖ＾Ｓ逡逑圖１－２邋（ａ）倒置器件結(jié)構(gòu)和（ｂ）正置器件結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄｅｖｉｃｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｓｏｌａｒ邋ｃｅｌｌｓ逡逑１．２．４有機(jī)太陽(yáng)能電池的幾個(gè)主要表征參數(shù)逡逑活性層材料對(duì)整個(gè)器件的光伏性能具有巨大影響［１２］。器件的能量轉(zhuǎn)換效率逡逑（ＰＣＥ）可以通過(guò)電流－電壓（Ｊ－Ｄ測(cè)試直接得到。若以Ｐｍ表示入射光的能量，貝ＩＪ逡逑ＰＣＥ＝（邋Ｖｏｃ＾Ｊｓ＾ＦＦ）／Ｐｍ0逡逑（１）
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4

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本文編號(hào)：2660072