有機半導(dǎo)體材料的設(shè)計、合成及在太陽能電池中的應(yīng)用.pdf

1、有機太陽能電池由有機半導(dǎo)體材料制備得到，具有成本低、柔韌性好、輕便、加工工藝簡單和可以制備大面積器件等獨特的優(yōu)勢，近十幾年來一直都是研究的熱點，相關(guān)研究獲得了巨大的進(jìn)展，器件效率得以提升。其中，有機半導(dǎo)體材料作為器件里面的活性層材料，對器件效率有著至關(guān)重要的影響。有機半導(dǎo)體材料在太陽能電池中分為給體材料和受體材料。給體材料發(fā)展迅速，特別是聚合物給體，使得聚合物太陽能電池效率不斷改善。受體材料方面，富勒烯仍然占據(jù)主要優(yōu)勢，但是漸漸非富勒烯

2、受體材料也成為了研究熱點。本論文圍繞以上幾個方面，首先研究了π堆疊型有機半導(dǎo)體材料的合成與光電性能，接著對低含量給體太陽能電池中少量給體的電離勢對電池器件效率的影響進(jìn)行了研究，最后設(shè)計合成了新的二聚體類型和三維構(gòu)型的非富勒烯受體，并用到本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，考察了它們的光伏性能。本論文的具體工作包括以下幾個方面:
　　(1)采用一種新的結(jié)合傳統(tǒng)自由基聚合和Diels-Alder反應(yīng)的方法，設(shè)計合成了兩種新型π堆疊構(gòu)型的聚合物（P

3、FMA-Ma和PFMA-Mb）。采用核磁共振氫譜對聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征和分析，從中計算出功能基團(tuán)在聚合物中所占的摩爾百分比例，并且發(fā)現(xiàn)聚合物內(nèi)存在兩種D-A加合物的立體異構(gòu)體，這一點也進(jìn)一步被后續(xù)的DSC測試所證實。在熒光測試中，發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的升高，聚合物的熒光變?nèi)酰敝?50℃退火后熒光幾乎消失。同時，當(dāng)聚合物中側(cè)基部分所占的摩爾比增加時，PFMA-Ma的熒光譜圖出現(xiàn)了象征側(cè)基完全重疊的構(gòu)象特征峰，而PFMA-Mb則發(fā)生了

4、熒光光譜的輕微紅移。這些現(xiàn)象表明，熱退火和高摩爾百分比的側(cè)掛基團(tuán)有利于聚合物中側(cè)基的π-π堆疊和聚集。
　　(2)設(shè)計合成了兩個新的低電離勢給體小分子5，5'-雙{二（4-甲氧基苯基）氨基}-2，2'-聯(lián)噻吩(DMPA-BT)和N-(叔丁基)-2，6-雙{二（4-甲氧基苯基）氨基}二噻吩并[3,2-b;2'，3'-d]吡咯(DMPA-DTP)。將所合成的小分子和購買的具有較高電離勢的給體小分子(DMFL-TPD、TAPC)分別作為

5、給體材料、C60作為受體材料，采用5∶95的給受體摩爾比例，應(yīng)用熱蒸鍍法制作了低含量給體太陽能電池，并測試了器件性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著給體電離勢的降低，低含量給體太陽能電池器件的開路電壓，短路電流以及填充因子同步下降。開路電壓的下降可以理解為給體電離勢和受體電子親和能的能量差減小造成的。而短路電流的下降表明了低含量的給體小分子在器件中并沒有改善器件的光吸收，提高短路電流。低電離勢的給體小分子有可能阻礙了器件膜內(nèi)激子的有效分離，影響了電荷的

6、傳輸，從而使得器件性能下降，甚至低于基于純C60的肖特基太陽能電池。
　　(3)設(shè)計合成了一種新的PDI二聚體(o-diPDI)，在鄰位（ortho）以C-C單鍵相連。計算表明，與先前報道的灣位置相連(bay)的PDI二聚體(b-diPDI)相比較，o-diPDI的苝平面之間具有一個較大的扭轉(zhuǎn)角（二面角:88°），比b-diPDI（二面角:62°)的扭轉(zhuǎn)角大出很多。電化學(xué)測試表明，o-diPDI的第一還原峰電位出現(xiàn)的位置比b-di

7、PDI更負(fù)。通過制備倒置型太陽能電池研究了o-diPDI作為受體的光伏器件性能，基于o-diPDI的太陽能電池獲得了5.16±0.19％的效率，而用作比較的b-diPDI，效率則是5.24±0.14％。兩個分子獲得了基本一致的電池效率。
　　(4)通過中心核9，9'-聯(lián)芴烯(BF)的四硼酸酯取代物與PDI-Br或NDI-Br之間的Suzuki偶合反應(yīng)制備了非富勒烯受體小分子BF-PDI4和BF-NDI4。在理論計算中，我們驗證了兩

8、個分子均是三維結(jié)構(gòu)。將合成的兩個分子制備倒置型有機太陽能電池，研究了BF-PDI4和BF-NDI4兩個分子作為受體材料的光伏性能。PTB7-Th∶BF-PDI4和PTB7-Th∶BF-NDI4的優(yōu)化器件效率分別為3.64％和2.28％。此外，BF-PDI4表現(xiàn)出比BF-NDI4更好的Jsc和FF。雖然BF-PDI4在400和600nm之間有著良好的UV-vis吸收，但是此吸收對光電流的貢獻(xiàn)相對較少。BF-NDI4制作的太陽能電池性能較差