有机小分子阴极界面材料的设计制备及其在有机光伏电池中的应用

【摘要】：有机光伏电池因成本低、质轻并可实现柔性器件等优势,成为新能源领域的研究热点。在实际应用中,为了满足器件长期使用的要求,必须使用在环境中稳定的阴极材料,例如Ag、ITO等。然而,这类阴极材料,通常具有较高功函,不利于电子抽取。因此,开发能有效提高此类器件的PCE的阴极界面材料具有重要意义。有机阴极界面材料一般具有如下特性:1)有利于环境中稳定的阴极材料进行电子抽取;2)阻挡激子和空穴迁移至阴极;3)避免阴极材料同活性层的直接接触。由于有机小分子具有确定的化学结构、高纯度以及可在较低温度通过真空蒸镀成膜等优点,本论文主要以开发简单、有效的有机小分子阴极界面材料为目的,修饰在环境中稳定的阴极材料,改善器件性能。1)针对传统的阴极界面材料2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉(BCP)和4,7-二苯基-1,10-菲啰啉(Bphen)薄膜稳定性不足的问题,我们将“(2-萘基)二苯基磷氧”基团引入至1,10-菲啰啉单元,合成一种新型有机小分子阴极界面材料Phen-Na DPO。该材料具备诸多特点:易合成、提纯、高玻璃化转变温度(116 oC)以及电子迁移率(~10-4 cm2 V-1s-1@106 V cm-1)。紫外光电子能谱表明,Phen-Na DPO作为阴极界面材料,可大幅降低Ag、ITO、HOPG等基底的功函,有利于电子抽取,从而明显改善有机光伏电池的性能。例如,采用Phen-Na DPO修饰的Ag、Al作为阴极的器件(ITO/PEDOT:PSS/PTB7:PC71BM/CIM/cathode),分别获得7.5%和8.56%的能量转换效率,达到甚至超过Ca/Al(PCE=7.31%)器件的水平。2)增强有机小分子阴极界面材料抵御弱极性溶剂侵蚀的能力,是实现其在倒置有机光伏电池中应用的关键之一。我们将二芳基膦氧基团与两性离子相结合,得到一个醇溶性的有机小分子阴极界面材料,在弱极性溶剂(例如,甲苯、氯苯等)中的溶解性小于0.1 mg m L-1。紫外吸收光谱表明,将二苯基磷氧基团与两性离子相结合有助于材料抵御弱极性溶剂的侵蚀。另外,还合成了应用于OLED的电子传输材料Bi Na-Bi DPO,制备简单,迁移率稍高于TPBi。 【关键词】：有机光伏电池 阴极界面材料 有机小分子 合成制备
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.541;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 引言11
• 1.2 有机光伏电池的研究和发展现状11
• 1.3 有机光伏电池的结构及原理11-12
• 1.4 应用于有机光伏电池的有机小分子阴极界面材料12-23
• 1.4.1 共轭类有机小分子阴极界面材料12-19
• 1.4.2 非共轭类有机小分子阴极界面材料19-20
• 1.4.3 C_(60)、石墨烯类材料20-23
• 1.5 本论文的研究内容与创新之处23-24
• 第二章 基于(2-萘基)二苯基磷氧单元的中性阴极缓冲层分子型材料的设计、合成与性能研究24-53
• 2.1 引言24-25
• 2.2 实验部分25-30
• 2.2.1 原料与试剂25
• 2.2.2 材料的表征设备与仪器25-26
• 2.2.3 材料的合成26-28
• 2.2.4 有机光伏电池器件的制备及性能测试28-30
• 2.3 结果与讨论30-51
• 2.3.1 化合物的合成与表征30-34
• 2.3.2 化合物的溶解性34-35
• 2.3.3 化合物的吸收与光致发光性质35-36
• 2.3.4 化合物的热力学性质36-38
• 2.3.5 化合物在有机光伏电池器件中的应用38-51
• 2.4 本章小结51-53
• 第三章 抗弱极性溶剂侵蚀的离子型阴极界面分子型材料的设计、合成与性能研究53-68
• 3.1 引言53
• 3.2 实验部分53-59
• 3.2.1 原料与试剂53-54
• 3.2.2 材料的表征设备与仪器54-55
• 3.2.3 材料的合成55-58
• 3.2.4 有机光伏电池器件的制备及性能测试58-59
• 3.3 结果与讨论59-67
• 3.3.1 化合物的表征59-63
• 3.3.2 化合物的吸收性质63-64
• 3.3.3 化合物的热力学性质64-65
• 3.3.4 化合物的溶解性及抗弱极性溶剂侵蚀性质测试65-66
• 3.3.5 化合物在有机光伏电池器件中的应用66-67
• 3.4 本章小结67-68
• 结论与展望68-69
• Conclusion and Outlook69-70
• 参考文献70-79
• 附录 179-89
• 1 引言79
• 2 实验部分79-81
• 2.1 原料与试剂79
• 2.2 材料的表征设备与仪器79-80
• 2.3 材料的合成80-81
• 2.4 光电子能谱(PES)测试81
• 2.5 真空蒸镀型电致发光器件的制备及性能测试81
• 3 结果与讨论81-88
• 3.1 化合物的合成与表征81-82
• 3.2 化合物的溶解性82
• 3.3 化合物的吸收与光致发光性质82-83
• 3.4 化合物的热力学性质83-84
• 3.5 紫外光电子能谱测试化合物的能级84
• 3.6 单电子器件研究化合物的电子传输能力84-85
• 3.7 化合物在真空蒸镀型有机发光二极管中的应用85-88
• 4 本章小结88-89
• 攻读博士学位期间取得的研究成果89-93
• 致谢93-94

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