卟啉酞菁类化合物的设计合成及其在太阳能电池中的应用

【摘要】：结合当前有机太阳能电池材料和器件的研究进展及存在的主要问题,本论文的主要工作是合成有机小分子太阳能电池材料,目的是改善酞菁铜的溶解性,拓宽其对太阳光谱的吸收范围。制备了一种可溶性酞菁铜和首次制备了两种宽光谱吸收的卟啉酞菁联合体, ZnPor-O-ZnPc和ZnPor-(O-ZnPc)4。以ZnPor-(O-ZnPc)4为给体材料,详细研究了此类材料与PCBM形成异质结作为光功能层的器件的主要性能,研究了二者的配比和退火温度对器件性能的影响。 首先合成了一种可溶的酞菁衍生物,2,9,16,23-四羧基酞菁铜(CuTCPc),实现了用溶液旋涂的手段来制备含酞菁的器件,并考察了CuTCPc在太阳能电池中的应用。研究发现,CuTCPc可以作为给体材料,也可用作修饰层材料。引入修饰层CuTCPc的器件可以看成是两个电池的并联,即一个双层电池和一个混合异质结电池的并联。 其次通过四(对羟基)苯基卟啉(THPP)和4-硝基邻苯二腈的亲核反应首次得到了四[对(3,4-二氰基)苯氧基]苯基卟啉(TDPP),然后以卟啉TDPP为原料,分别与亚酞菁和邻苯二腈反应,首次得到了ZnPor-O-ZnPc和ZnPor-(O-ZnPc)4。通过元素分析、质谱、核磁、红外光谱和紫外-可见光谱的表征,证实产物为目标化合物。卟啉酞菁联合体的吸收是卟啉和酞菁单体吸收的叠加,在300到700nm的范围内都有吸收。 最后将两种卟啉酞菁联合体作为给体,与PCBM混合制备了异质结电池。和单一的卟啉及酞菁相比,以ZnPor-(O-ZnPc)4和ZnPor-O-ZnPc作为给体的器件性能提高幅度很大,其中ZnPor-(O-ZnPc)4的器件性能最好。进一步研究得出当ZnPor-(O-ZnPc)4和PCBM质量比为4：1时,退火温度为140℃,器件ITO/PEDOT:PSS/ZnPor-(O-ZnPc)4:PCBM/LiF/Al的性能最好,得到了Jsc为4.68mA/cm2,Voc为0.63V,FF为57.5%,η为1.58%。研究了ZnPor-(O-ZnPc)4和不同形貌的Ti02形成的有机无机复合太阳能电池,发现Ti02的形貌对器件的短路电流有较大影响,Ti02为纳米管时,得到的器件性能最好。 【关键词】：卟啉 酞菁 合成 溶解性 吸收 有机太阳能电池
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序9-13
• 1 引言13-37
• 1.1 有机太阳能电池的相关基础知识14-22
• 1.1.1 工作原理14-16
• 1.1.2 影响有机太阳能电池效率的因素16-17
• 1.1.3 有机太阳能电池的主要特性参数17-19
• 1.1.4 有机太阳能电池的主要结构19-22
• 1.2 有机太阳能电池材料22-31
• 1.2.1 有机小分子太阳能电池材料22-23
• 1.2.2 有机大分子太阳能电池材料23-27
• 1.2.3 D-A体系27-29
• 1.2.4 有机无机杂化体系29-30
• 1.2.5 有机太阳能材料小结30-31
• 1.3 酞菁类化合物31-35
• 1.3.1 酞菁类化合物简介31-32
• 1.3.2 酞菁类化合物合成32-34
• 1.3.3 酞菁类化合物在太阳能电池中的应用34-35
• 1.3.4 酞菁类化合物用作电池材料时存在的不足35
• 1.4 本论文的主要工作35-37
• 2 可溶性酞菁铜化合物的制备及其电池特性37-49
• 2.1 前言37-38
• 2.2 实验部分38-41
• 2.2.1 试剂及仪器38
• 2.2.2 CuTCPc的合成38-40
• 2.2.3 CuTCPc的表征40
• 2.2.4 基于CuTCPc的太阳能电池器件的制备40-41
• 2.3 结果与讨论41-47
• 2.3.1 CuTCPc的表征结果41-43
• 2.3.2 CuTCPc的电化学性质测试43-44
• 2.3.3 器件性能的研究44-47
• 2.4 本章小结47-49
• 3 卟啉类化合物在太阳能电池中的应用研究49-63
• 3.1 引言49-50
• 3.2 实验部分50-53
• 3.2.1 试剂及主要仪器50-51
• 3.2.2 卟啉化合物的合成51-52
• 3.2.3 卟啉化合物的表征52-53
• 3.2.4 混合异质结电池器件的制备53
• 3.3 结果与讨论53-61
• 3.3.1 卟啉化合物的表征53-57
• 3.3.2 器件性能的研究57-61
• 3.4 本章小结61-63
• 4 卟啉酞菁联合体的合成及表征63-89
• 4.1 引言63-64
• 4.2 实验部分64-68
• 4.2.1 试剂及主要仪器64-65
• 4.2.2 卟啉酞菁联合体的合成65-67
• 4.2.3 卟啉酞菁联合体的表征67-68
• 4.3 结果与讨论68-87
• 4.3.1 化合物的合成和表征68-82
• 4.3.2 卟啉酞菁联合体的紫外和荧光性质82-85
• 4.3.3 卟啉酞菁联合体的电化学性质85-87
• 4.4 本章小结87-89
• 5 卟啉酞菁联合体在太阳能电池中的应用89-103
• 5.1 引言89
• 5.2 实验89-90
• 5.2.1 异质结电池器件的制备89
• 5.2.2 有机无机复合太阳能电池的制备89-90
• 5.2.3 电池器件和活性层薄膜的测试90
• 5.3 结果与讨论90-100
• 5.3.1 有机异质结电池器件的研究90-97
• 5.3.2 有机无机复合电池器件的研究97-100
• 5.4 本章小结100-103
• 6 结论103-105
• 参考文献105-113
• 附录113-115
• 作者简历115-119
• 学位论文数据集119

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