论文总字数：22704字

摘 要

有机太阳能电池由于其具有轻质、柔性、可大面积制备等特点，且在过去的数年中发展迅猛，受到了广泛的关注。有机太阳能电池的光活性层一般由电子给体和电子受体两种材料结合而成，新受体材料的合成在近年的工作中逐渐成为显著提升器件效率的关键所在。但提升受体材料性能常用的环化增稠手段，往往合成产率低且步骤繁琐，还会带来提纯困难等问题。本文以解决目前有机太阳能受体材料高效低产的问题为出发点，通过合成工序简捷、成本较低的受体材料，探索有机太阳能电池的可生产性，并对有机光伏未来的发展作展望。本论文主要调研国内外的有关文献，了解有机太阳能领域的前沿工作，对有机太阳能电池的发展历程和结构原理进行简单概括，并介绍基于阶梯型结构的非富勒烯受体材料的发展和特点，制备合成简易的受体单元辛基罗丹宁和具有简易稠环的给体单元DCHOTF, 并结合已有受体单元INCN、INFIC和给体单元2,2’-联噻吩-5,5’-二甲醛，通过一步法分别合成出四种具有不同化学结构的有机太阳能受体分子，并用核磁共振波谱仪对所得化合物进行表征，并将四种受体材料制备成有机太阳能电池器件，测试其器件性能，并通过显微镜观察表面形貌。比较四种电池器件的表现，结合合成过程中的现象，对本次实验进行总结。

关键词：有机太阳能电池；非富勒烯受体；罗丹宁；简易合成；

Abstract

Organic solar cells have attracted wide attention due to their characteristics such as light weight, flexibility, and large area preparation, and have developed rapidly in the past few years. The photoactive layer of an organic solar cell is generally composed of two materials, an electron donor and an electron acceptor. The synthesis of new acceptor materials has gradually become the key to significantly improve the efficiency of devices in recent years. However, the cyclization and thickening methods commonly used to improve the performance of the acceptor material often have low synthetic yields and complicated steps, and also bring problems such as difficulty in purification. In this paper, the problem of high efficiency and low yield of organic solar acceptor materials is taken as the starting point. Through the simple and low-cost synthesis of acceptor materials, the manufacturability of organic solar cells is explored, and the future development of organic photovoltaic is prospected. The thesis proceeds in the following order：Investigation relevant literature, understanding the frontier work in the field of organic photovoltaic, briefly summary of the development and operational principles of organic solar cells, and introduction of the emergence and characteristics of non-fullerene acceptor materials based on ladder structures. This work prepared simple acceptor unit octyl-substituted rhodanine and donor unit DCHOTF with simple condensed ring, four organic solar acceptor molecules with different chemical structures were synthesized by one-step method by combining with existing acceptor unit INIC, INFIC and donor unit 2,2'-Bithiophene-5,5'-dicarboxaldehyde, and the obtained compounds were characterized by NMR. Four kinds of acceptor materials were introduced into organic solar cells, the device performance was tested, and the surface morphology was observed through the microscope. The performance of four solar cell devices was compared and summarized with the phenomena observed in the synthesis process.

Key Words：Organic solar cells；Non-fullerene acceptors；Rhodanine；Simply synthesis；

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 I

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 有机太阳能电池的发展历程 1

1.3 有机太阳能电池器件结构与工作原理 1

1.3.1 器件结构 3

1.3.2 工作原理 4

1.4 非富勒烯小分子受体 6

1.5 本课题研究内容 8

第2章 实验与测试 10

2.1 引言 10

2.2 实验部分 10

2.2.1 实验试剂与仪器 10

2.2.2 ORH的合成 12

2.2.3 DCHOTF的合成 13

2.2.4 T2-ORH和Flu-ORH的合成 15

2.2.5 DICTF和DICTF-4F的合成 16

2.2.6 化合物的结构表征 18

2.2.7 有机太阳能电池的制备与测试 20

2.3 实验结论 20

第3章 总结与展望 23

参考文献 25

致 谢 27

附 录 28

第1章 绪论

1.1 引言

随着世界工业的蓬勃发展以及能源消耗的日益增长，传统的化石能源经过上百年的开采变得难以为继，其中，石油作为化石燃料的一种已成为当今世界最为重要的战略性物资之一，而其在地表分布极为不均使得许多战事因此而起。化石燃料燃烧产生的二氧化碳和硫化物、氮化物等污染物也常被认为是全球气候变暖的根本原因，虽然对于背后的原理和诱因科学界仍然莫衷一是，但全球气候变暖已成为不争的事实，从各方途径减少温室气体的排放是缓解变暖的重要手段。因此，在过去的数十年中，水能、风能、核能、太阳能和地热能等清洁能源的开发不断取得突破和进展，其中，环境代偿最小、利用最为灵活的当属太阳能发电。

自1954年首个硅基无机太阳能电池问世以来，许多半导体材料相继被验证制备太阳能电池的可行性甚至已经工业化生产。其中，应用最为广泛、工艺最为成熟且市场化相对成功的依然是单晶硅太阳能电池^[1]。但单晶硅太阳能电池并不能很好地契合开发绿色清洁能源的初衷，单晶硅的制备需要经过多次提纯，会消耗大量的能量，且制备过程也会产生有毒物质污染环境。而后来的无机化合物半导体也大多存在与单晶硅相似的弊端，因此，开发低成本、环境代偿小且容易大面积制备的半导体材料成为了目前太阳能电池研究的重要导向，例如有机半导体材料。相较于传统的无机半导体（如硅、Ⅱ-Ⅵ族化合物和多元化合物），有机分子通常在较低温度下合成（不超过200℃），能耗小，且在溶液中制备，生产效率高。同时，在对分子结构进行优化后，可使用绿色溶剂，实现全程低毒甚至无毒无污染^[2],[19]。且有机半导体薄膜主要通过溶液涂覆的方式制备，存在着印刷、喷墨、打印等低成本制作方式的可行性^[3]，生产成本更加低廉^[4]。

1.2 有机太阳能电池的发展历程

仅仅在硅基太阳能电池问世的四年后，1958年，Kearns和Calvin等人制备出了第一个真正意义上的有机太阳能电池（OSCs）^[5]。但从3×10^-12W的输出功率到1%的PCE，这一突破直到三十年后才为邓青云通过构建电子给体-受体平面异质结实现^[6]。1995年，随着制造工艺的进步，Heeger成功通过体异质结的形式制备光活性层^[7]。在体异质结中，给体和受体以纳米级的尺度混合，形成无数个p-n结，使激子分离和电子转移的效率达到了前所未有的高度。另一方面，由于富勒烯衍生物具有较高的电子迁移率，且带隙较窄，尤益于作为受体材料在电池中工作。因此在2000年前后，科学家们对富勒烯衍生物展开了广泛的研究，开发出一系列可以与给体材料混合，形成微观形貌良好的体异质结的受体材料。然而，囿于富勒烯衍生物的诸多固有缺陷，如较低的可见光吸收和较差的光电调节能力，在二十一世纪的第一个十年结束时，有机太阳能电池的PCE仍然低于10%，与早已实现商业化的单晶硅太阳能电池相形见绌^[8]。

图1.1 部分富勒烯衍生物受体结构图

因此，在最近十年里，更多的研究工作开始指向新型受体材料的开发。2015年，北京大学的占肖卫教授合成出了A-D-A阶梯型结构受体分子ITIC^[9]。文章中应用ITIC作为受体材料制备的器件PCE达到了6.8%，很快，中科院化学所的侯剑辉研究员和南京理工大学的唐卫华教授通过对ITIC分子进行修饰，分别将器件效率提升至13.1%和11.61%^[10],[11]。最近，单结二元OSCs器件的PCE超过了15%，其中一种受体材料BTP-4F，即是基于阶梯型结构设计研发出来的^[12]。ITIC等非富勒烯小分子受体材料的出现为有机光伏的研究工作注入了巨大的活力，推动了微观形貌调控、器件结构优化和工作机理解释等一系列工作的进步。并且，有机光伏在过去数年如此迅速的发展也表明了它巨大的潜力，使得相关的科研工作者们，相信在不久的将来，OSCs器件一定能走向商业化，走向民用，切实地为缓解能源危机提供一条可行的道路。

请支付后下载全文，论文总字数：22704字

相关图片展示：