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溶液过程D-A-D-A-D延长结构有机小分子光伏材料的合成与性质

张帅帅  
【摘要】:有机太阳能电池目前已经成为光电领域的研究热点。基于可溶液加工的体异质结有机薄膜太阳能电池(BHJ-OSCs),作为一种新型技术,其转换效率目前虽然无法与无机太阳能电池相比,但它拥有许多无机材料及器件无可比拟的优势,如:种类多,电池轻,制备成本低,柔韧性好,制作工艺简单等。目前溶液过程有机小分子光伏材料的研究主要集中于D-A-D和A-D-A结构的分子。为了开拓研究思路,本文设计合成了基于D-A-D-A-D结构的有机小分子光伏材料,通过延长共轭结构降低带隙,同时通过增加D-A (A-D)结构单元促进分子内电荷迁移,以期实现更高的光电转化效率。本论文采用3,6-咔唑为中间给电子单元(D),以三苯胺为端基给电子单元(D),以苯骈三氮唑(BTA)、含有烷氧链的苯并噻二唑(BT)分别作为吸电子单元(A),同时引入单键、双键、氰基乙烯基及三键等分别作为桥键合成了两个系列的小分子光伏材料。结合密度泛函理论计算,紫外可见吸收光谱及循环伏安测试表明这些分子均具有较强的光吸收能力和与受体材料相匹配的能级,可用作BHJ-OSCs的给体材料。因此进行了器件制备及光电性能测试。光电数据研究表明,相对于苯骈三氮唑系列(BTA系列),基于含有烷氧链的苯并噻二唑为吸电子单元的系列化合物(BT系列)具有更高的光电转化效率(3.39%-3.99%)和更高的短路电流密度(11.6mAcm-2)。同时本文探索了分子材料桥键、吸电子单元及延长结构与材料光伏性能的关系。研究表明:单键对应的分子具有更高的光电转化效率,具有吸电子性的氰基乙烯基及三键对于调整材料的HOMO能级及器件的开路电压起到了重要作用;BT系列分子相对BTA系列分子具有更窄的带隙,因而普遍得到较高的短路电流;延长的BTA系列的D-A-D-A-D结构分子SBTA相对于其参考A-D-A结构分子具有更窄的带隙和更大的电荷迁移率,同时具有更大的短路电流、填充因子和更高的光电转化效率。本论文的研究成果对延长结构的有机小分子的设计提供了新的思路。


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