【摘 要】
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有机太阳能电池具有巨大的商业化潜力,其能量转换效率已超过17%,但与无机电池的效率仍有一定的差距。与无机材料相比,有机半导体材料最大优势在于其可设计性强,可通过优化材料的结构提升器件的光伏性能。富勒烯类材料曾是性能最优异的有机光伏受体材料,相应器件效率已超过11%,但其较低的LUMO能级与较弱的吸收限制了器件性能。为了克服这些缺点,科学家设计合成了许多新型受体材料。本文以有机太阳能电池为研究对象,
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有机太阳能电池具有巨大的商业化潜力,其能量转换效率已超过17%,但与无机电池的效率仍有一定的差距。与无机材料相比,有机半导体材料最大优势在于其可设计性强,可通过优化材料的结构提升器件的光伏性能。富勒烯类材料曾是性能最优异的有机光伏受体材料,相应器件效率已超过11%,但其较低的LUMO能级与较弱的吸收限制了器件性能。为了克服这些缺点,科学家设计合成了许多新型受体材料。本文以有机太阳能电池为研究对象,设计合成了三类新型受体材料,并研究了材料的分子结构与光伏性能的关系。(1)含不同烷基侧链的萘酰亚胺聚合物的合成及其光伏性能研究侧链工程是优化聚合物材料光伏性能的策略之一。本文设计合成了含不同烷基侧链的萘酰亚胺聚合物P(NDIEH-TT)与P(NDIEH-TH2)。聚合物表征表明,较小位阻异辛基使P(NDIEHTT)具有比N2200更强的π-π堆积及更窄的带隙,但同时其溶解性较N2200大幅度降低,甚至无法通过溶液法制备器件。在噻吩处引入己基侧链使P(NDIEH-TH2)的溶解性较N2200与P(NDIEH-TT)有较大的提升;但一定程度上阻碍了聚合物的π-π堆积,使带隙变宽、迁移率降低。PBDB-T:P(NDIEH-TH2)有机太阳能器件取得了0.96 V的开路电压与2.44%的效率。(2)含对二氟苯给电子单元的萘酰亚胺聚合物的合成及其光伏性能研究给体-受体(D-A)共聚是一种常用的构建窄带隙聚合物吸光材料的策略,通过调控给受体电子单元的结构可调控聚合物的光伏性能。本文将对二氟苯引入至N2200中合成了聚合物P(NDIOD-S2BF)。聚合物和器件性质表征表明对二氟苯环的给电子能力较弱,导致P(NDIODS2BF)的HOMO能级降低、带隙变宽,迁移率降低;同时氟原子与噻吩的氢原子形成的氢键很弱,未能抑制单键旋转,导致器件的能量损失较大。PBDB-T:P(NDIOD-S2BF)有机太阳能器件获得1.08%的效率。(3)新型星型小分子受体的合成及其光伏性能的研究与线性小分子相比,星型小分子受体具更强的吸收、更好的溶解性与更优异的成膜性等优点,其器件性能有望超过线型小分子。本文以三苯胺(TPA)为核心设计合成了三个星形小分子受体。TPA-ID因其端基ID的吸电子能力较弱而具有较高且与PBDB-T不匹配的能级;TPA-ID器件不能正常工作。富电子TPA核心和强吸电子IC/ICF端基相结合使星型小分子受体TPA-IC和TPA-ICF具有较高的HOMO能级、较低的LUMO能级及较窄的带隙(1.48 eV和1.52 eV)。得益于TPA-IC与TPA-ICF与PBDB-T匹配的能级,TPA-IC与TPA-ICF器件的能量损失都仅为0.64 eV,分别获得4.61%与3.78%的效率。
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