基于侧链修饰的卟啉小分子太阳能电池的合成及其光伏性能研究

【摘要】：能源问题对于人类生存和发展至关重要。有机太阳能电池(OPVs)被认为是非常有前途的太阳能转换技术,具有可溶液加工,质轻,成本低廉,轻巧便携等优点。卟啉与具有光合作用的叶绿素结构非常类似,而且它具有较大的摩尔消光系数,快速的电子注入,良好的光物理特性和热稳定性,可以通过更换中间空腔内的金属和在外围引入不同的取代基实现电化学和光物理特性的调节,因此在光电子领域具有良好应用潜力。本课题组黄玉英在卟啉单元两边连接吡咯并吡咯二酮,meso位通过乙炔基连接,与PC60BM共混得到4.78%的效率。秦红梅采用带有空间位阻更小的meso取代基团的卟啉小分子作为给体材料,最优化器件效率高达7.23%。表明该体系小分子在获取更高的光电转效率和更优异的器件性能方面表现出了巨大的潜力。与不断地设计和合成全新的共轭体系相比,适度调整灵活多变的侧链来提升有机半导体的器件性能不失为一种有效的方法。本论文的工作就是在基于卟啉和DPP构成的A–π–D–π–A结构中,通过侧链修饰,在保证能级变化较小的前提下进一步改善小分子的溶解性,成膜性和载流子迁移等性质,从而提升光电性能。在第二章中,我们在基于卟啉和DPP的A–π–D–π–A型结构下,对卟啉进行侧链修饰,分别得到了Meso位不带烷基链,带有脂肪族直链烷基链,带有连接PEG链的芳香族侧链的小分子。通过改善分子的溶解性,空间构型和分子间相互作用,从而影响到整个材料对太阳光的吸收,能级和载流子迁移性质,进而影响到材料的共混形貌光伏器件的性能。Por-PEG-DPP-EH中,PEG链的苯环取代基与卟啉分子骨架撑开了一个更大的角度,大幅度的提高了分子的溶解性和成膜性,优化后的器件效率高达6.23%。表明这种具有亲水性的侧链在改善分子的溶解性,成膜性和光伏性能上有着积极的作用。在第三章中,为了更加深入和全面的研究这种特殊性能的PEG链对卟啉-DPP体系的影响,我们通过改变PEG链的取代位置和数目,设计并合成了另外两个小分子Por-OC8-DPP-PEG和Por-PEG-DPP-PEG。然后系统的探讨这三个小分子的一系列性能,包括光学,电化学和光伏性能。在第四章中,我们根据Meso-四取代卟啉小分子在OFET和OPV中的研究状况,采用吸电子能力适中的二噻吩苯并噻二唑(DTBT)这个受体单元设计了小分子Zn DTBT,以期能获得较高的光电转换效率和迁移率。 【关键词】：卟啉 小分子 溶液加工 太阳能电池
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4;O626
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-37
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有机太阳能电池的结构，基本原理，性能参数和影响因素12-16
• 1.2.1 有机太阳能电池典型器件结构12-13
• 1.2.2 有机太阳能电池的基本原理13-14
• 1.2.3 有机太阳能电池的性能参数14-15
• 1.2.4 有机太阳能电池性能影响因素15-16
• 1.3 小分子给体材料应用于有机太阳能电池的研究进展16-25
• 1.3.1 吡咯并吡咯二酮（Diketopyrrolopyrrole）类光伏性能16-18
• 1.3.2 低聚噻吩（Oligothiophene）类光伏性能18-19
• 1.3.3 三苯胺(Triphenylamine)类光伏性能19-21
• 1.3.4 并苯及其衍生物类(Acene)光伏性能21-22
• 1.3.5 基于卟啉及其衍生物(Porphyrin)类光伏性能22-25
• 1.4 侧链修饰在有机半导体材料中的研究进展25-34
• 1.4.1 侧链取代基的常用种类25-31
• 1.4.1.1 烷基链25-26
• 1.4.1.2 混合侧链26-29
• 1.4.1.3 氟代烷基链29-30
• 1.4.1.4 Oligo（乙二醇）类的侧链30-31
• 1.4.2 侧链取代位置的影响31-34
• 1.5 本论文的研究内容和创新之处34-37
• 1.5.1 本论文的研究内容34-35
• 1.5.2 本论文的创新之处35-37
• 第二章 基于卟啉侧链修饰的A-π-D-π-A型小分子的光伏性能研究37-56
• 2.1 引言37-38
• 2.2 实验部分38-47
• 2.2.1 原料与试剂38-39
• 2.2.2 表征设备与仪器39-40
• 2.2.3 中间体的合成40-45
• 2.2.4 目标产物的合成45-47
• 2.3 结果与讨论47-54
• 2.3.1 目标产物的合成与表征47
• 2.3.2 小分子的紫外吸收特性47-49
• 2.3.3 小分子的电化学特性49-51
• 2.3.4 小分子的光伏性能51-54
• 2.3.4.1 器件性能51-52
• 2.3.4.2 外量子效率（EQE）52-53
• 2.3.4.3 电荷迁移率53-54
• 2.4 本章小结54-56
• 第三章 基于PEG链取代位置不同的A-π-D-π-A型卟啉小分子的光伏性能研究56-74
• 3.1 引言56-57
• 3.2 实验部分57-64
• 3.2.1 原料与试剂57-58
• 3.2.2 表征设备与仪器58-59
• 3.2.3 中间体的合成59-63
• 3.2.4 目标产物的合成63-64
• 3.3 结果与讨论64-72
• 3.3.1 目标产物的合成与表征64-65
• 3.3.2 小分子的紫外吸收特性65-67
• 3.3.3 小分子的电化学特性67-68
• 3.3.4 小分子的光伏性能68-72
• 3.3.4.1 器件性能68-70
• 3.3.4.2 外量子效率（EQE）70-71
• 3.3.4.3 电荷迁移率71-72
• 3.4 本章小结72-74
• 第四章 Meso-四取代卟啉小分子的合成及其光伏性能研究74-85
• 4.1 引言74-76
• 4.2 实验部分76-81
• 4.2.1 原料与试剂76-77
• 4.2.2 表征设备与仪器77-78
• 4.2.3 中间体的合成78-80
• 4.2.4 目标产物的合成80-81
• 4.3 结果与讨论81-84
• 4.3.1 目标产物的合成与表征81
• 4.3.2 小分子的紫外吸收特性81-83
• 4.3.3 小分子的电化学特性83
• 4.3.4 小分子的器件性能83-84
• 4.4 本章小结84-85
• 结论85-87
• 参考文献87-92
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果92-93
• 致谢93-94
• 附件94

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