基于引达省的小分子太阳能电池给体材料的设计、合成与光伏性能的研究

【摘要】：本论文设计并合成了一系列新型有机太阳能电池给体材料,并且研究了它们的热稳定性、光物理性质、能级以及器件的光伏性能等。在第一部分的工作中,我们设计并合成了一系列基于以引达省(IDT)为给电子单元,双氟代苯并噻二唑(BT2F)为缺电子单元,并以不同桥连片段封端的D1-A-π-D2-π-A-D1型四氟取代的有机太阳能小分子给体材料。通过实验发现以噻吩、硒吩、并噻吩为桥的BIT4FTh、BIT4FSe、BIT4FTT的器件效率比以呋喃和联噻吩为共轭桥的BIT4FFu和BIT4FDT的效率要高,并且以BIT4FTh制备的太阳能电池器件的光电转换效率(PCE)值达到了8.5%,其中开路电压Voc=0.90 V,短路电流Jsc=12.70 mA cm-2,填充因子FF=0.75,该效率是目前为止基于双氟代苯并噻二唑单元的单体异质结有机小分子太阳能电池中效率最高的,这主要得益于它直线型的分子结构、较窄的带隙以及较好的共混膜形貌。通过实验我们发现改变π共轭桥可以使得分子的构象从“之”字形变为直线型,此外通过溶剂处理可以增加分子之间的作用力,这两种方法的结合可以更有效地制备高性能的有机太阳能电池器件。在第二部分的工作中,我们合成了一系列D2-A-D1-A-D1-A-D2型小分子给体材料,这些分子都是用己基联二噻吩作为封端基团,将给电子单元(引达省即D1),缺电子单元(双氟苯并噻二唑即A),分别以噻吩和硒吩作为共轭桥连接所形成的寡聚物。通过调整硒吩桥和噻吩桥的位置来探究这三个化合物的光物理性质、电化学性质、能级、器件性能以研究在寡聚物中特别是在同分异构体中,不同构筑单元的排列顺序对分子光伏性能的影响。在以BIT6FThSe为给体材料,PC71BM为受体材料制备的体异质结太阳能电池在经过退火处理后的效率为6.5%,但是通过改变分子内桥片段的顺序,BIT6FSeTh制备的体异质结太阳能电池在经过退火处理条件优化以后,效率高达8.4%,这部分工作说明在我们的体系中,通过改变分子骨架片段中构筑单元的排列顺序,可以制备高效的有机太阳能电池器件。

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