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以萘及氟萘为端基的二酮吡咯并吡咯类小分子光伏性能研究

作　者: 周睿
导　师: 朱旭辉
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料学
关键词: 吡咯并吡咯二酮太阳电池小分子溶液加工
分类号: O621.22
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

相比于无机半导体太阳能电池，有机体异质结太阳能电池可以采用溶液或者低温蒸镀方式加工，实现低成本、大面积光电转换器件，而成为近几年的研究热点。有机半导体小分子，作为体异质结太阳能电池中光电转换活性层的电子给体材料，需要具有较宽的吸收谱带、较高的空穴载流子迁移率、适当的HOMO能级，以及良好的溶解性，从而有利于纯化、器件加工。吡咯并吡咯二酮（DPP）具有化学稳定性好、分子结构共平面、合成简单、成本较低等特点。作为一种吸电子基团，DPP具有较强的吸电子能力，可以有效地降低材料的带隙。萘是具有共平面结构的稠环芳烃，π电子在分子平面内离域。通过适当的结构修饰，有望获得高性能体异质结太阳能电池所需的有机小分子给体材料。本论文的主要研究工作是设计并合成以萘及氟萘为端基的二酮吡咯并吡咯类小分子，然后将其作为活性层给体材料应用于太阳电池器件中，并考察器件的光电性能。第二章中，我们制备了以四联噻吩为核，以萘或者氟萘为端基的有机半导体材料。经过研究，结果表明：随着氟萘的引入，可以有效地提高化合物的空穴迁移率。基于第二章的研究结果，我们在第三章中制备了以二噻吩基吡咯并吡咯二酮为核，以萘或者氟萘为端基的给体材料以拓宽给体材料的吸收范围。化合物CP9是一种Tm大约216C的结晶材料，X射线衍射表明对旋涂的薄膜进行热退火可以增强结晶，这有利于改善吸收性能和载流子传输性能。相比于Ag/AgCl电极，CP9分别于0.87V和1.16V有两个可逆单电子氧化峰。在低电压区，用SCLC方法测试电空穴器件迁移率约为2.7×10^-4cm²V^-1s^-1。分别在66.4和100mW cm^-2的AM1.5模拟太阳光下，对CP9进行初步表征，都得到能量转换效率约为3.0%的器件（ITO/PEDOT:PSS/CP9:PC61BM（solution processed）/Al）。关于氟原子对材料性能，例如形貌形态、吸收、电化学、电荷传输和由此产生的对器件的性能影响进行了讨论。由于CP8和CP9在室温下的低溶解性，其与PC61BM共混溶解与氯仿需要不断地加热，通过共混物的热溶液的旋涂得到薄膜。在第四章中，我们用2-丁基辛基替换了化合物CP8和CP9中的2-乙基已基，制备了化合物CP12和CP13以提高其可溶液加工性。化合物CP12和CP13是Tm分别为189和178C的结晶固体，这两个化合物相比于Ag/AgCl电极都分别于0.87V和1.16V（相对于EFc+/Fc为0.39和0.68V）有两个可逆单电子氧化峰。在低电压区，用SCLC方法测试单空穴器件，CP12迁移率约为3.36×10-5cm²V^-1s^-1、CP13迁移率约为9.76×10-5cm²V^-1s^-1。在100mW cm^-2的AM1.5模拟太阳光下，对未经优化的器件（ITO/PEDOT:PSS/CP12or CP13:PC61BM/Al）CP12进行初步表征，得到CP13和CP12的光电转换效率分别为3.37%和3.00%。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-36
  1.1 引言  12-13
  1.2 有机太阳电池的基本原理、性能参数及其影响因素  13-16
    1.2.1 有机太阳电池的基本原理  13-14
    1.2.2 有机太阳电池的性能参数  14-15
    1.2.3 有机太阳电池的发展简要介绍  15-16
  1.3 可溶液加工分子型体异质结太阳电池研究进展  16-29
    1.3.1 寡聚噻吩类  16-19
    1.3.2 并苯类  19-22
    1.3.3 三苯胺类  22-26
    1.3.4 染料类  26-29
  1.4 吡咯并吡咯二酮类可溶液加工小分子  29-34
  1.5 本论文的研究内容和创新之处  34-36
    1.5.1 本论文的研究内容  34-35
    1.5.2 本论文的创新之处  35-36
第二章基于萘及氟萘为端基的四联噻吩光电性能初探  36-59
  2.1 引言  36-37
  2.2 实验部分  37-45
    2.2.1 原料与试剂  37
    2.2.2 材料的表征设备与仪器  37-38
    2.2.3 中间体合成  38-42
    2.2.4 目标产物的合成  42-45
  2.3 结果与讨论  45-58
    2.3.1 化合物的合成与表征  45-55
    2.3.2 光学性能  55-56
    2.3.3 热学性质分析  56-58
    2.3.4 空穴传输性能  58
  2.4 本章小结  58-59
第三章基于萘及氟萘为端基的二酮吡咯并吡咯类小分子光伏性能研究  59-82
  3.1 引言  59-60
  3.2 实验部分  60-64
    3.2.1 原料与试剂  60
    3.2.2 材料的表征设备与仪器  60-61
    3.2.3 目标化合物的合成  61-64
  3.3 结果与讨论  64-81
    3.3.1 目标产物的合成与表征  64-67
    3.3.2 光学性能  67
    3.3.3 电化学性能  67-68
    3.3.4 热学性能  68-70
    3.3.5 化合物的薄膜形貌特征  70-74
    3.3.6 化合物的空穴传输性能研究  74-75
    3.3.7 光伏性能  75-77
    3.3.8 化合物 EQE 曲线测试  77-78
    3.3.9 化合物 X 射线衍射分析  78-79
    3.3.10 化合物 UPS 测试分析  79-80
    3.3.11 化合物理论计算研究  80-81
  3.4 本章小结  81-82
第四章以 2-丁基辛基为 N 取代基的基于萘及氟萘为端基的二酮吡咯并吡咯类小分子光伏性能研究  82-103
  4.1 引言  82-83
  4.2 实验部分  83-88
    4.2.1 原料与试剂  83
    4.2.2 材料的表征设备与仪器  83-84
    4.2.3 目标化合物的合成  84-86
    4.2.4 有机太阳电池器件的制备  86-88
  4.3 结果与讨论  88-101
    4.3.1 目标产物的合成与表征  88-89
    4.3.2 光学性能  89-90
    4.3.3 电化学性能  90-91
    4.3.4 热学性能  91-92
    4.3.5 光伏性能  92-94
    4.3.6 化合物的空穴传输性能研究  94-95
    4.3.7 活性层形貌对太阳电池性能影响的微电池理论模型构建  95-101
  4.4 本章小结  101-103
结论  103-105
参考文献  105-115
攻读博士学位期间取得的研究成果  115-117
致谢  117-118
附件  118

以萘及氟萘为端基的二酮吡咯并吡咯类小分子光伏性能研究

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