论文总字数：21250字

摘 要

太阳能是清洁，无污染的可再生能源，高效地利用太阳能有助于解决目前人类目前面对的能源日益缺乏的困境。现在主流的太阳能电池是无机太阳能电池，效率已经超过了25%，但制造成本高，污染严重等缺点，阻碍了它的进一步发展。而与之不同的是，有机太阳能电池具备以下优点：（1）有机小分子/聚合物材料来源广泛，结构和性能易于调节和成膜性较好；（2）有机太阳能电池主要制备工艺为溶液处理法，成本较低；（3）容易制备大面积柔性器件。尤其是有机小分子太阳能电池拥有固定的分子结构，可采用传统方法分离提纯，近期得到了学术界和产业界的极大关注。本论文主要设计合成以受体单元吡咯并吡咯二酮（DPP）为共轭臂，以IDTT为核心的A-D-A结构的小分子给体材料。主要研究其光学和电化学性能以及有关的分子能级。

关键词：有机太阳能电池 小分子 吡咯并吡咯二酮 电子给体

Synthesis and Characterization of Diketopyrrolopyrrole-based Donor Materials for Organic Solar Cells

Abstract

As a clean renewable energy, solar energy is the best way to solve the energy problem which human being faced. The power conversion efficiency of current commercial inorganic solar cells is above 25%, but complex processing technology, high cost, related pollution and difficulties of large scale fabrication have impeded development of inorganic solar cells. Comparing with inorganic solar cells, organic solar cells (OSCs) have lots of advantages as followed: (1) Organic small molecule or polymer can be easily designed, synthesized and modified. (2) Organic solar cells have nice flexibility and low-cost via solution processing and vacuum evaporation. (3) Organic solar cells can easily achieve large scale fabrication. Especially organic small molecules, which have regular structure and can be purified by conventional technology, catch the eyes of industry and academic. In this dissertation, we design and synthesized π-conjugated organic molecule based on Diketopyrrolopyrrole (DPP), which acts as electron-accepting unit, and IDTT used as conjugated π-bridge. Molecular weight, optical, electrochemical properties have been investigated.

KEYWORDS: Organic Solar Cells; Small Molecule; Diketopyrrolopyrrole; Electron Donor

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 太阳能电池的分类 1

1.3 有机太阳能电池的结构及工作原理 2

1.4 有机太阳能电池的性能参数 3

1.5 有机太阳能电池受体材料 4

1.5.1 富勒烯类受体材料 4

1.5.2 非富勒烯小分子受体材料 4

1.6 有机太阳能电池给体材料 6

1.6.1 苯并二噻吩类小分子给体材料 7

1.6.2 寡聚噻吩类小分子给体材料 9

1.6.3 吡咯并吡咯二酮类小分子给体材料 10

1.6.4 IDT类小分子给体材料 13

1.7 本论文研究思路 14

第二章 基于DPP类小分子给体材料的合成与表征 16

2.1 材料的表征和设备 16

2.2 实验药品 16

2.3 实验内容 17

2.3.1 DPP的合成 17

2.3.2 DPPC8的合成 17

2.3.3 DPPBr的合成 18

2.3.4 IDTT(DPP)₂的合成 18

2.4 实验结果与讨论 19

2.4.1 化合物的光物理性质 19

2.4.2 化合物的电化学性质 20

2.5 本章小结 21

第三章 结果与展望 22

参考文献 23

致谢 27

附录 28

第一章 绪论

• 1. 引言

如何满足人类对能源日益增加的需求是空前的挑战。而作为主要能源的化石燃料由于其不可再生和污染环境已经越来越不能满足人类社会现代化发展进步的需要，尤其是对绿色生态环境的渴望。因此，寻找替代化石燃料的可再生清洁能源应对环境污染是一个非常迫切急需解决的课题。自从1954年，ChapinD.M等人研发了世界上第一块太阳能电池后^[1]，太阳能电池便成为了国内外学术界和产业界的研究热点。

• 1. 太阳能电池的分类

太阳能电池的工作原理是基于活性材料能在光照下的光伏效应，从而实现光能到电能的直接转换。根据太阳能电池活性层材料的不同，可将其分为两大类：无机太阳能电池，有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）。

至今为止，主流的太阳能电池仍然是以硅（Si）基太阳能电池为代表的无机太阳能电池，其效率已经超过25%。但高纯度的硅的制备能耗高、污染大，而且器件制备工艺较为复杂。正是因为硅基太阳能电池的高成本，严重限制了其近一步发展^[2]。有机太阳能电池的出现，为解决上述问题提供了一个新的途径。

按照有机太阳能电池活性层材料的不同，可将其分为有机小分子太阳能电池（Small-Molecule Organic Solar Cells）和聚合物太阳能电池（Polymer Solar Cells）。与传统的无机太阳能电池相比，有机太阳能电池具有以下三个优点：（1）有机小分子/聚合物材料来源广泛，结构和功能易于调节，成膜性、柔韧性比较好；（2）有机太阳能电池主要依靠溶液加工（Solution Process）和真空蒸镀（Vacuum Evaporation）工艺，制备成本低；（3）容易实现制备大面积柔性器件。早在1986年，C.W.Tang博士报道了第一个基于酞菁铜给体（Donor）和苝酰亚胺受体（Acceptor）的双层异质结有机太阳能电池，其器件能量转换效率（PCE）达到0.95%^[3]。1995年，A.J.Heeger和R.H.Friend等分别制备了基于聚合物给体/富勒烯受体和聚合物给体/聚合物受体的本体异质结（Bulk Heterojunction, BHJ）太阳能电池，即给体和受体在活性层中形成相互贯穿的连续网络结构，使得D/A界面显著增大，该结构使太阳能电池研究取得重大突破^[4-5]。

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