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A-D-D-A型窄带隙非富勒烯受体材料及其光伏性能研究

A-D-D-A型窄带隙非富勒烯受体材料及其光伏性能研究

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作者：郑祥均湘潭大学

学位级别：硕士

在过去的几年中,受体-供体-受体(A-D-A)型非富勒烯小分子受体(NF-SMAs)材料受到了越来越多的关注。已报道的高效率本体异质结(BHJ)太阳能电池中,为了实现更高的短路电流(J)和能量转换效率(PCE),最常见的策略是将宽带隙给体材料与光谱互... 详细信息

在过去的几年中,受体-供体-受体(A-D-A)型非富勒烯小分子受体(NF-SMAs)材料受到了越来越多的关注。已报道的高效率本体异质结(BHJ)太阳能电池中,为了实现更高的短路电流(J)和能量转换效率(PCE),最常见的策略是将宽带隙给体材料与光谱互补的窄带隙NF-SMAs搭配。本文从设计一类新型结构的窄带隙NF-SMAs材料的角度出发,设计合成了两个新型吸电子-给电子-给电子-吸电子(A-D-D-A)型受体材料。并详细研究了这两个A-D-D-A型受体材料在聚合物太阳能电池及小分子太阳能电池中的光伏性质。具体研究内容总结如下:1. 设计合成了两个基于茚并二噻吩(IDT)为D单元,二氟代氰基茚酮(DFIC)为A单元的A-D-D-A型窄带隙NF-SMAs C6-IDT2-DFIC和IDT2-DFIC,并应用于聚合物太阳能电池中。研究发现,与苯基己基侧链小分子受体IDT2-DFIC相比,具有己基侧链的C6-IDT2-DFIC显示出了1.39 e V的低光学带隙,并且在450-890 nm区域具有很强的近红外吸收,同时C6-IDT2-DFIC的结晶性有所增强。此外,基于PBDB-T:C6-IDT2-DFIC的共混膜表现出更加平衡的电荷迁移率。基于PBDB-T:C6-IDT2-DFIC的聚合物太阳能电池获得了12.33%的PCE和22.57 m A cm的高J,而基于IDT2-DFIC器件的PCE为10.06%,J为16.06 m A cm。本研究为构建高效的NF-SMAs及其聚合物太阳能电池提供了可行的策略。2. 以苯并-(1,2-b:4,5-b’)二噻吩(BDT)为给体单元,苯并-(1,2-c:4,5-c’)二噻吩-4,8-二酮(BDD)为受体单元的小分子给体5BDTBDD,制备了基于5BDTBDD:C6-IDT2-DFIC体系的全小分子太阳能电池。在优化过程中发现,小分子太阳能电池在经过热退火处理后与未经过热退火处理的器件相比有着极大的性能提升。此外,基于5BDTBDD:C6-IDT2-DFIC体系的全小分子太阳能电池在经过热退火后有着更加平衡的电荷迁移率与更加光滑的表面形貌。基于5BDTBDD:C6-IDT2-DFIC体系的全小分子太阳能电池在经过热退火后显示出7.19%的PCE和69.75%的高FF,而未经热退火处理的器件仅显示了1.92%的PCE和33.03%的FF。本研究为构建高效的全小分子太阳能电池提供了一种可行的器件优化策略。

关键词：聚合物太阳能电池小分子太阳能电池窄带隙非富勒烯受体材料高短路电流

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基于引达省并二噻吩和引达省并二噻吩并噻吩的有机光伏材料的合成及其性能研究

基于引达省并二噻吩和引达省并二噻吩并噻吩的有机光伏材料的合成...

引用

作者：朱佳宁湘潭大学

学位级别：硕士

众所周知,太阳能电池是能源领域的研究热点和难以攻克的重要课题。有机/聚合物太阳能电池作为一种全新能源技术,具有材料质量轻,吸收范围广,可通过溶剂加工实现规模化生产以及制造柔性和半透明器件等优点。近年来,大量结构新颖和性能优... 详细信息

众所周知,太阳能电池是能源领域的研究热点和难以攻克的重要课题。有机/聚合物太阳能电池作为一种全新能源技术,具有材料质量轻,吸收范围广,可通过溶剂加工实现规模化生产以及制造柔性和半透明器件等优点。近年来,大量结构新颖和性能优异的有机太阳能电池材料被开发出来。迄今为止,基于非富勒烯受体材料的叠层有机太阳能电池,其能量转换效率(PCE)已跃升至17.3%,预示着有机太阳能电池技术十分广阔的应用潜能。本论文简要地叙述了有机太阳能电池的发展历程,对非富勒烯小分子受体材料进行了系统的归纳和阐述。并针对目前吸电子基团-给电子基团-吸电子基团(A-D-A)型非富勒烯小分子受体(SMAs)构建方式比较单一及结构与性能关系不够透彻等问题,设计合成了具有A-D-D-D-A型和A-D-D-A型的SMAs,以及分子末端采用苯并噻吩稠环修饰的A-D-A型SMAs。研究了分子的共轭效应对HOMO能级的影响,F原子的修饰对LUMO能级的调节作用以及活性层薄膜形貌和分子的自组装行为,以及太阳能电池光伏性能与材料的电荷迁移率、吸收光谱、电子能级之间的内在联系,从而揭示了分子结构与光伏性能参数的对应关系。本论文为高效有机太阳能电池的设计提供了借鉴作用,本论文的研究内容和实验结果概述如下:(1)以3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮(IC)及其双氟取代IC(DFIC)作为末端受体单元,合成基于引达省并二噻吩(IDT)和苯并二噻吩(BDT)的A-D-D-D-A型窄带隙小分子受体BDT(IDT-IC)和BDT(IDT-IC-2F)。BDT(IDT-IC)和BDT(IDT-IC-2F)的光学带隙分别为1.59 eV和1.54 eV。使用PBDB-T作为供体材料时,基于BDT(IDT-IC)和BDT(IDT-IC-2F)的PSCs分别实现4.98%和6.21%的转换效率(PCEs)。(2)设计合成了两种A-D-D-A型SMAs为IDT-IC-4F和CIDT-IC-4F。研究了其光物理,电化学性能及光伏性能。研究发现:IDT-IC-4F和CIDT-IC-4F表现出与经典的A-D-A型小分子(ITIC)明显不同性质,其具有更高的HOMO能级(-5.40 eV)和更窄的光谱带隙E(1.40 eV),使吸收光谱延伸至870 nm和885nm。当与聚合物给体PBDB-T共混时,SMAs显示出了良好的光伏性能,基于PBDB-T:IDT-IC-4F的PSCs,表现出较高的PCE(10.06%),其中,短路电流(J)和填充因子(FF)分别为16.00 mA cm和69.22%。而基于PBDB-T:CIDT-IC-4F共混膜的光伏器件也实现了9.60%的PCE,尤其是J达到了17.64 mA cm,而V和FF有所下降。(3)开发了一种新型非富勒烯末端吸电子单元,用更大平面的苯并噻吩单元取代苯单元构建末端受体的单元骨架,合成了基于IDTT的A-D-A型SMAs IT-BT,研究了末端结构的改变对SMAs的分子堆积方式,形貌特征,吸收光谱,电子能级,以及对电池光伏性能各项参数的影响;探讨了苯,苯并噻吩,噻吩三者之间的光谱性质和LUMO能级的递变关系以及对电池的PCEs的影响。其中,基于聚合物PBDB-T的太阳能电池,IT-BT实现了8.17%的PCEs。

关键词：苯并噻吩窄带隙非富勒烯受体材料引达省并二噻吩 5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮

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