非富勒烯电子受体材料的合成与光伏性能表征毕业论文

 2021-04-12 01:04

摘 要

有机太阳能电池具有成本低廉、制备工艺简单、易制备大面积器件、质量轻等优点而受到广泛的关注。目前限制有机太阳能电池大规模应用主要还是是其较低的光伏转化效率。提升有机太阳能电池效率的根本动力是在于对活性层的优化。大多数有机太阳能电池的活性层是由电子给体材料与电子受体材料混合而成。传统的电子受体一直是富勒烯类材料。富勒烯类电子受体材料虽然具有良好的吸电子能力和较高的电子迁移率,但其许多缺点限制了有机太阳能电池的进一步发展。因此,迫切需要寻找能够取代富勒烯衍生物的电子受体材料。

近年来,关于非富勒烯材料的研究迅速发展。目前,基于非富勒烯受体材料的太阳能光伏器件的光伏转换效率已经从7%提高到17%,大大超过了富勒烯体系。ITIC及其衍生物是近年来出现的性能优异的非富勒烯电子受体材料。ITIC具有A-D-A型推拉结构(A代表吸电子单元,D代表富电子单元)。这种推拉结构有助于分子内电荷的转移,扩大光吸收范围,提高载流子迁移率。

基于上述研究背景,本文的主要研究内容为不同吸电子端基对IDMIC(ITIC的衍生物)性能的影响。在本论文中,采用了两种不同吸电子端基(IN-2CN与INCC)替换原来的吸电子端基INCN,成功合成了新型非富勒烯电子受体IDM-2IC与IDMCC。同时,该课题以PBDB-T为电子给体,制备了倒置结构的有机太阳能电池,并对器件光伏性能及其活性层形貌进行表征。结果表明:具有更强吸电子端基的IDM-2IC材料的紫外-可见光吸收光谱会发生50 nm红移;用富电子的噻吩环代替端基上的苯环,由此得到的IDMCC材料的紫外-可见光吸收光谱会发生40 nm蓝移。然而上述材料的结晶性均较强,导致其活性层表面形貌较差,器件性能较低。

关键词:有机太阳能电池;非富勒烯;电子受体;光伏转化效率

Abstract

Organic solar cells have the advantages of low cost, facial fabrication, easy preparation of large area devices, light weight and so on. At present, the main limitation of large-scale application of organic solar cells is their low photovoltaic conversion efficiency. The fundamental power to enhance organic solar cells lies in the optimization of the active layer. Most active layers of organic solar cells are based on the blends electron-donor materials and fullerene-based electron-acceptor materials. The traditional electron acceptors have been fullerenes. Fullerene-based electron acceptor materials have high electron affinity, and high electron mobility, but many of their shortcomings limit the further development of organic solar cells. Therefore, it is urgent to find electron acceptor materials that can replace fullerene derivatives.

In recent years, the research on non-fullerene materials has developed rapidly. At present, the photovoltaic conversion efficiency of solar photovoltaic devices based on non-fullerene receptor materials has increased from 7% to 17%, which greatly exceeds that of fullerene systems. ITIC and its derivatives are non-fullerene electron acceptor materials with excellent performance in recent years. ITIC has a push-pull structure of A-D-A type (A stands for electron-withdrawing group, D stands for electron-donating group). The push–pull structure in ITIC can induce intramolecular charge transfer, extend absorption and improve carrier mobility.

Based on the above research background, the main purpose of this paper is to study the effects of different electron acceptors on IDMIC (ITIC derivatives). In this paper, two different electron-withdrawing terminal groups were used to replace the original electron-withdrawing terminal group INCN, and new non-fullerene electron acceptors IDM-2IC and IDMCC were successfully synthesized. Simultaneously, the inverted structure of organic solar cells was fabricated by using PBDB-T as an electron donor, and the photovoltaic performance and active layer morphology of the devices were characterized. The results show that the UV-Vis absorption spectra of IDM-2IC materials with stronger electron-absorbing end groups will have a 50-nm red shift, and the ultraviolet-visible absorption spectra of IDMCC materials will have a 40-nm blue shift when thiophene ring is used instead of benzene ring on the end groups. However, these materials have strong crystallinity, which leads to poor surface morphology of the active layer and low device performance.

Key Words:Organic solar cells; Non-fullerenes; Electron acceptors; Photovoltaic conversion efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 有机太阳能电池的概述 1

1.2.1 有机光伏材料 1

1.2.1 有机太阳能电池的分类和工作原理 4

1.2.3 有机太阳能电池的性能参数 5

1.3 非富勒烯受体材料(NFAs)的发展状况 6

1.4 有机太阳电池材料的分子设计原则 7

1.5 对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响 8

1.6 课题研究目的及意义 8

第2章 非富勒烯电子受体材料的合成与光伏性能表征 10

2.1 引言 10

2.2 实验部分 12

2.2.1 实验药品与耗材 12

2.2.2 实验仪器及设备 12

2.2.3 IDM-2IC与IDMCC的合成 13

2.3 器件的制备 18

2.4 性能表征 19

2.4.1 光伏性能表征 19

2.4.2 活性层形貌的表征 20

2.4.3 有机太阳能电池的光伏性能测试 21

2.5 本章小结 23

第3章 结论与展望 24

3.1 全文总结 24

3.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 27

附录1 28

附录2 30

附录3 31

第1章 绪论

1.1 引言

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,化石能源的大量使用会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,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。

对可再生资源需求的不断的增长,刺激光伏技术快速地发展。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,如加工过程复杂且对环境的污染很大,不能制备柔性器件,原料成本高[1]。相比之下,有机太阳能电池具有成本低廉、工艺简单、质量轻、材料柔靭性好、易制备大面积器件、半透明性等优点,特别是其可通过分子设计理论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[2]

在过去,有机太阳能电池的光伏转化效率(PCE)从未超过10%,远远不及无机太阳能电池的光伏转化效率。为了提高有机太阳能电池的光伏转化效率,人们做出了许多努力。通过寻找合适的光伏材料,对形貌优化机理的不断研究,以及对器件的结构的改进等等,光伏转化效率已经得到巨大提升,从最初不到1%的PCE提高到现在17%的PCE。但是有机太阳能电池还有很大的提升的空间,未来很可能超越的无机太阳能电池的转化效率。

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