有機太陽能電池給體材料設(shè)計合成與器件優(yōu)化研究.pdf

1、本論文設(shè)計并合成了一系列新型有機太陽能電池的給體材料，并對它們的熱穩(wěn)定性、吸收光譜、電化學(xué)性能和固態(tài)堆積狀態(tài)進行了測試，同時詳細研究了它們作為電子給體材料在有機太陽能電池中的光電轉(zhuǎn)換性能。為了進一步提高有機小分子太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，我們將研究重點轉(zhuǎn)移至器件優(yōu)化和機理研究。首先使用各種不同的電子傳輸層，將DR3TBDT作為給體材料的小分子太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高至8.32％。然后通過制備并優(yōu)化翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的器件，將以DRCN7T作為

2、給體材料的翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)小分子太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高至8.84％。在上面的合成及器件優(yōu)化過程中，我們對光電轉(zhuǎn)換機理和器件壽命進行了初步的研究。最后我們基于本組在過去四年中理論計算方面的結(jié)果，對分子結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能預(yù)測提出了一些觀點和看法。具體各部分內(nèi)容摘要如下:
　　一、設(shè)計并合成了兩個具有相同骨架但側(cè)鏈不同的異硫茚(ITN)和苯并雙噻吩(BDT)的新型醌式交替共聚物PBDT-DEAITN和PBDT-DOAITN，并研究了它們的光電

3、轉(zhuǎn)換性能。這兩個聚合物有非常窄的光學(xué)帶隙，分別為1.52和1.58eV。將它們與PC61BM共混后制備的器件，在標準太陽光下的能量轉(zhuǎn)換效率分別是1.25％和1.20％。通過薄膜x射線衍射和原子力顯微鏡測試觀察到這兩個聚合物在固體狀態(tài)下堆積較差，同時用空間電荷限制電流測試得到兩個聚合物都有較低的遷移率;通過理論計算優(yōu)化對應(yīng)聚合物單體的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)PBDT-DEAITN和PBDT-DOAITN中相鄰異硫茚和苯并雙噻吩單元之間的二面角分別高達3

4、3.66°和34.35°，較大的二面角會導(dǎo)致較差的堆積和低的遷移率，進而導(dǎo)致低的能量轉(zhuǎn)換效率。通過理論計算的二面角和偶極矩結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)給體材料具有平面性骨架有利于得到更高的光電轉(zhuǎn)換性能?；诖耍肿拥钠矫嫘猿蔀楸窘M設(shè)計給體分子的重要參考依據(jù)。
　　二、為了獲得更高的開路電壓，我們設(shè)計并合成了三個帶有不同端基的寡聚五噻吩衍生物DCAO5T，DERHD5T和DIN5T，并將這三個給體分子分別與富勒烯衍生物進行共混制備有機太陽能電池器

5、件，測試了其在標準太陽光下的光電轉(zhuǎn)換性能。其中，基于DERHD5T的器件獲得了1.08 v的開路電壓和4.63％的能量轉(zhuǎn)換效率，這是有機太陽能電池中為數(shù)不多的開路電壓可以超過1V的給體材料。同時DCAO5T和DIN5T分別獲得了3.27％和4.00％的能量轉(zhuǎn)換效率，開路電壓分別為0.88 V和0.78 V。通過理論模擬研究了高開路電壓的原因，發(fā)現(xiàn)DERHD5T與PC61BM之間的電子偶合能力最弱，從而降低了器件的反向飽和電流密度，使得開

6、路電壓有一定的提高，理論預(yù)測的開路電壓和實驗的結(jié)果趨勢一致。上述結(jié)果證明，除了通過降低給體HOMO能級（或者提高受體材料的LUMO能級）來提高器件開路電壓外，削弱給體與受體之間的電子偶合也是非常重要的途徑。
　　三、為了提高有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，制備了基于DR3TBDT∶PC71BM作為活性層的小分子太陽能電池，分別使用聚芴衍生物(PFN)、氧化鋅納米顆粒和氟化鋰作為電子傳輸層，得到的能量轉(zhuǎn)換效率分別為8.32％、7.30

7、％和7.38％。其中，基于PFN的能量轉(zhuǎn)換效率是目前基于苯并雙噻吩體系小分子太陽能電池的最高效率。論文詳細研究了引入不同的電子傳輸層對器件性能影響的原因，發(fā)現(xiàn)引入PFN后，能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高的原因是減少了器件中的雙分子復(fù)合，同時增加了活性層的有效吸光。
　　四、在上述器件優(yōu)化工作的基礎(chǔ)上，我們制備了基于DRCN7T∶PC71BM作為活性層的翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)小分子太陽能電池，在標準太陽光照射下，器件的能量轉(zhuǎn)換效率為8.84％，對應(yīng)的開路電

8、壓為0.91 V，短路電流密度為14.28 mA cm-2，填充因子為0.68，這也是目前基于翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)小分子太陽能電池的世界紀錄。在相同條件下制備的正常結(jié)構(gòu)器件，開路電壓和填充因子沒有明顯變化，能量轉(zhuǎn)換效率為8.06％，短路電流密度為13.07 mA cm-2。通過變光強實驗證實了正常結(jié)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件中，電荷的復(fù)合機制基本接近，因此后者短路電流密度增加的原因主要是增加了活性層的有效吸光，這也與光學(xué)模擬的結(jié)果一致。經(jīng)過封裝后，制備的翻轉(zhuǎn)

9、結(jié)構(gòu)器件在空氣中存放103天后，器件的能量轉(zhuǎn)換效率仍然在8％以上，顯示了小分子太陽能電池具有良好的發(fā)展前景。
　　五、本章比較了各種泛函和基組在光電功能材料預(yù)測方面的優(yōu)點與缺點，發(fā)現(xiàn)B3LYP/6-31 G*和PBElPBE/6-31G*基本可以滿足有機半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、HOMO能級、吸收光譜和電荷傳輸重組能等參數(shù)的預(yù)測。尤其是PBE1PBE/6-31G*的結(jié)果與實驗結(jié)果吻合的較好。基于Marcus電子轉(zhuǎn)移方程，我們將理論計算得到