非富勒烯电子受体材料的合成与光伏性能表征开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着世界经济规模的不断扩大,世界能源消耗量逐年增长,全球煤炭、石油和天然气探明储量分别仅能开采110年、53年和54年,能源危机日愈凸显。此外,化石能源消费每年排放二氧化碳320亿吨,二氧化硫1.2亿吨,氮氧化物1亿吨,带来严重的环境污染和气候变化问题。相比之下,清洁能源储量丰富。据统计,全球水能资源超过100亿千瓦,陆地风能资源超过1万亿千瓦,太阳能资源超过100万亿千瓦。可再生的清洁能源在未来取代化石能源是历史发展的必然趋势。

其中太阳能是最丰富的再生资源,关于太阳能电池的研究飞速发展,从最初的单机硅太阳能电池,发展到后来砷化镓等多晶或非晶的替代材料,转化率也从6%提高到了25%,但无机太阳能电池存在着许多缺点,例如其加工过程复杂且对环境的污染很大、不能柔性加工、原料成本高等。而有机太阳能电池具有成本低廉、工艺简单、易大面积成膜、质量轻、以及柔靭性好等优点,特别是其可通过现有的分子设计进行简单的化学修饰,调控光伏器件的性能,这为光伏产业的发展提供了广阔空间。

聚合物太阳能电池一般由基底层,活性层,负极,正极,电子/空穴传输层等构成。其中活性层是有机太阳能电池中最重要的组成,提髙光电转化效率的最根本动力在于活性层材料的优化。活性层通常包括吸光电子给体材料(通常为共轭聚合物)以及受体材料。在许多高性能器件中,富勒烯是最常用的电子受体。富勒烯的homo/lumo能级相对较低,电子迁移率高。但富勒烯也存在一些缺点,如:1)富勒烯受体在可见光区的光吸收很弱,对光的利用率较低;2)pcbm的带隙可调控性差,可修饰的化学结构数量非常有限;3)球形结构的pcbm容易聚集并结晶,严重影响器件的长期稳定性。在过去的三年里,非富勒烯受体材料快速发展。与富勒烯受体相比,非富勒烯受体具有一些明显的优点:1)其化学结构多样,带隙可调节空间大;2)通过适当的结构修饰可以使吸收边可扩展到近红外区;3)能级可调性强;4)能量损失较小,可获得较高的开路电压;5)分子的平面性和结晶性可调。这些要素都可以有效调控活性层的共混形貌以及提高器件的稳定性。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

本次设计主要是在非富勒烯受体itic进行结构修饰,在其侧链引入小分子,以改善itic的结晶能力,同时于分子中接入π桥,在改善分子结晶能力的同时扩大其共轭π电子云,获取性能更加优异的非富勒烯体系受体材料。

itic是一种ada型电子受体,中间是7元稠环,具有很强的电子流动性,两端是吸电子基团。这样的推拉结构有助于电子的传输。但由于其结晶性过强,导致其表面形貌不佳,所以本次设计在itic分子中引入大分子侧链,改善其结晶能力,同时在吸电子基团和给电子基团之间引入π桥,进一步提高电子传输能力,引入的π桥单元包含还有较长的烷基链,也可以调整itic的结晶性能。

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3. 研究计划与安排

第1-3周

查阅相关文献,明确研究内容,了解所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-10周

按照设计方案,制备新型有机非富勒烯受体化合物。

第11-12周

采用NMR、GPC、CV、UV-Vis、PL等测试技术对合成化合物的结构、电化学性能进行测试。

第13-14周

总结实验数据,完成并修改毕业论文。

第15周

论文答辩。

4. 参考文献(12篇以上)

  1. jia sun, xiaoling ma, zhuohan zhang et al.dithieno[3,2-b:2′,3′-d]pyrrol fused nonfullerene acceptors enabling over 13% efficiency for organic solar cells[j].advanced materials. 2018, 30, 1707150

  2. pei cheng , gang li , xiaowei zhan and yang yang.next-generation organic photovoltaics based on non-fullerene acceptors.nature photonics .2018,12 , 131–142 .

  3. 施敏敏,李水兴,李昌治,陈红征.用于聚合物太阳电池的高性能非富勒烯受体的设计与合成.高分子通报[j].2019,2,1003-3726.

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