有機(jī)太陽(yáng)能電池給體材料設(shè)計(jì)合成與器件優(yōu)化研究.pdf

1、本論文設(shè)計(jì)并合成了一系列新型有機(jī)太陽(yáng)能電池的給體材料，并對(duì)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(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)詳細(xì)研究了它們作為電子給體材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的光電轉(zhuǎn)換性能。為了進(jìn)一步提高有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，我們將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至器件優(yōu)化和機(jī)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(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高至8.32％。然后通過(guò)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(yáng)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(guò)程中，我們對(duì)光電轉(zhuǎn)換機(jī)理和器件壽命進(jìn)行了初步的研究。最后我們基于本組在過(guò)去四年中理論計(jì)算方面的結(jié)果，對(duì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)提出了一些觀點(diǎn)和看法。具體各部分內(nèi)容摘要如下:
　　一、設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下的能量轉(zhuǎn)換效率分別是1.25％和1.20％。通過(guò)薄膜x射線衍射和原子力顯微鏡測(cè)試觀察到這兩個(gè)聚合物在固體狀態(tài)下堆積較差，同時(shí)用空間電荷限制電流測(cè)試得到兩個(gè)聚合物都有較低的遷移率;通過(guò)理論計(jì)算優(yōu)化對(duì)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(dá)3

4、3.66°和34.35°，較大的二面角會(huì)導(dǎo)致較差的堆積和低的遷移率，進(jìn)而導(dǎo)致低的能量轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)理論計(jì)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(jì)給體分子的重要參考依據(jù)。
　　二、為了獲得更高的開(kāi)路電壓，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了三個(gè)帶有不同端基的寡聚五噻吩衍生物DCAO5T，DERHD5T和DIN5T，并將這三個(gè)給體分子分別與富勒烯衍生物進(jìn)行共混制備有機(jī)太陽(yáng)能電池器

5、件，測(cè)試了其在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)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(kāi)路電壓和4.63％的能量轉(zhuǎn)換效率，這是有機(jī)太陽(yáng)能電池中為數(shù)不多的開(kāi)路電壓可以超過(guò)1V的給體材料。同時(shí)DCAO5T和DIN5T分別獲得了3.27％和4.00％的能量轉(zhuǎn)換效率，開(kāi)路電壓分別為0.88 V和0.78 V。通過(guò)理論模擬研究了高開(kāi)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(kāi)

6、路電壓有一定的提高，理論預(yù)測(cè)的開(kāi)路電壓和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果趨勢(shì)一致。上述結(jié)果證明，除了通過(guò)降低給體HOMO能級(jí)（或者提高受體材料的LUMO能級(jí)）來(lái)提高器件開(kāi)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(jī)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池的最高效率。論文詳細(xì)研究了引入不同的電子傳輸層對(duì)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(shí)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(yáng)能電池，在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照射下，器件的能量轉(zhuǎn)換效率為8.84％，對(duì)應(yīng)的開(kāi)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(yáng)能電池的世界紀(jì)錄。在相同條件下制備的正常結(jié)構(gòu)器件，開(kāi)路電壓和填充因子沒(méi)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(guò)變光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(jī)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(guò)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(yáng)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(cè)方面的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)B3LYP/6-31 G*和PBElPBE/6-31G*基本可以滿足有機(jī)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、HOMO能級(jí)、吸收光譜和電荷傳輸重組能等參數(shù)的預(yù)測(cè)。尤其是PBE1PBE/6-31G*的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的較好?；贛arcus電子轉(zhuǎn)移方程，我們將理論計(jì)算得到