论文总字数：31387字

摘 要

随着能源消耗越来越多与化石资源越来越少的矛盾逐渐尖锐，寻找一种可替代传统化石燃料的新能源迫在眉睫。太阳能具有清洁、可再生和覆盖范围广等优势，是一种理想的替代能源。有机太阳能电池相对传统硅太阳能电池，具有柔性、成本低和易携带等优点，近年来得到了迅猛发展，特别是有机太阳能电池活性层材料发展极为火热。本论文通过调研国内外大量文献，总结了有机太阳能电池发展历程、器件结构、工作原理和器件参数等内容。着重介绍了有机太阳能电池给受体材料的发展现状。通过阅读相关文献，设计了一种合成羰基氟化端基ITIC衍生物的方法，用核磁共振波谱仪可对产物进行表征。将所得产物与PM6匹配制备有机光伏器件，器件性能可通过测试的J-V曲线了解。最后，依据可靠的理论基础，推测可能出现的实验结果。

关键词：有机太阳能电池；非富勒烯受体；ITIC衍生物；羰基氟化

Abstract

As the contradiction between decreasing fossil resources increasing energy consumption grows acute, it is urgent to find a new energy source that can replaces traditional fossil fuels. Solar energy has the advantages of clean, renewable and wide coverage, and is an ideal alternative energy source. Compared with traditional silicon solar cells, organic solar cells have the advantages of flexibility, low cost and easy portability. In recent years, it has developed rapidly, especially the development of organic solar cell active layer materials. By investigating a large number of documents at home and abroad, this paper has summarized the development history, device structure, working principle and device parameters of organic solar cells. We focus the development status of organic solar cells donor and acceptor materials. By reading the relevant literature, a method for synthesizing carbonyl fluorinated terminal ITIC derivatives was designed, and the product can be characterized by nuclear magnetic resonance spectrometer. Organic photovoltaic devices can be prepared by matching the products with PM6, and the performance of the devices could be understood by testing the J-V curve. Finally, based on the reliable theoretical basis, the possible experimental results will be speculated.

Keywords: organic solar cells; non-fullerene acceptors; ITIC derivatives; carbonyl fluorination

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

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 2

1.3 有机太阳能电池的器件结构 3

1.4 有机太阳能电池工作原理 5

1.5 有机太阳能电池器件参数 7

1.5.1 开路电压（Voc） 7

1.5.2 短路电流密度（Jsc） 8

1.5.3光电转化效率（PCE） 8

1.5.4 外量子效率（EQE） 8

1.5.5 填充因子（FF） 9

1.6 有机太阳能电池部分给受体材料介绍 9

1.6.1 有机太阳能电池部分给体材料介绍 9

1.6.2 有机太阳能电池部分受体材料介绍 11

1.7 本课题研究内容 13

第2章 研究基础及可行性分析 16

2.1 IT和IC制备方法 16

2.2 ITIC制备方法 17

2.3羰基氟化IC制备方法 17

第3章 一种羰基氟化端基ITIC衍生物的合成设计 19

3.1 引言 19

3.2 实验设计部分 19

3.2.1 实验试剂和仪器 19

3.2.2羰基氟化IC的合成路线设计 20

3.2.3 IT的合成路线设计 24

3.2.4 ITIC衍生物的合成路线设计 26

3.2.5化合物的结构表征 28

3.2.6有机太阳能电池器件制备与性能测试 30

3.3预期结果 30

第4章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 35

第1章 绪论

1.1引言

人类自从跨入工业社会以来，石油、天然气和煤炭三大化石燃料一直在能源结构中占据主导地位，但是化石燃料在使用过程中，暴露出了很多弊端。化石燃料在燃烧过程中，会产生大量“三废”，气候发生变化，甚至造成全球温室效应，燃烧产生的有毒气体还会造成酸雨，破坏生态环境。化石燃料属于不可再生能源，目前地球上已经探明的储量不足以支撑人类的长久发展，并且由于其储量地域差异大，往往需要长距离运输，这给生活生产带来很大的不便。考虑到传统化石燃料存在诸多弊端，人类迫切需要寻找更加清洁环保的能源来取代传统能源的位置。目前，包括太阳能、水能、核能和风能在内的清洁能源得到了科学研究者的广泛关注。

太阳能与传统化石燃料相比，具有以下三大特点：第一，太阳能储备丰富。太阳目前的年龄大概有40多亿岁，而它的寿命大概有100亿年，也就是说太阳能至少还能存在50亿年的时间，相对于人类社会历史来说，这已经是永恒的了。第二，太阳能分布广泛。太阳能覆盖了全球绝大多数地区，这对于交通运输不便的地区来说，可以极大地改善地理上的劣势。第三，太阳能清洁环保。在太阳能转变成日常使用的电能和热能过程中，不会产生多余的废弃物，不需要考虑对环境的污染问题。

一直以来，科学家们致力于如何将太阳能高效的转化成电能或者是热能，希望以此解决能源危机问题。直到1954年，贝尔实验室才首次制备出了第一个太阳能电池——硅基太阳能电池，它的光电转化效率为6%^[1]。目前，太阳能电池的主要分类包括：硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池^[2]。不同种类的太阳能电池各有优缺点，以硅基太阳能电池为例，其能量转化效率高，目前商用的太阳能电池主要是硅太阳能电池，但是它也存在有非柔性、成本高以及质量重等缺陷。相对来说，有机太阳能电池生产成本较低，可通过溶剂化大面积生产制造，产品具有柔性方便携带^[3]，已得到研究者的广泛关注。

有机太阳能电池光电转化效率受到诸多条件的制约，其中，活性层材料的设计起着至关重要的作用。以本体异质结结构太阳能电池为例，它的活性层材料包括受体材料和给体材料。受体材料主要包括富勒烯类受体材料和非富勒类衍生物材料。给体材料主要包括小分子给体和聚合物给体，比如P3HT、PTB7和PBDB-T等。根据美国国家可再生能源实验室最新统计结果显示，近几年来，有机太阳能电池的光电转化效率得到极大提升，这与非富勒烯类受体材料取得的突破性进展有很大关系。本论文围绕非富勒烯类小分子受体羰基氟化端基INCN的设计与表征展开。

图1.1最佳研究电池效率统计（NREL）

1.2 有机太阳能电池的发展历程

Kallmann和Pope在1959年合作完成第一个有机太阳能电池器件，他们将单晶蒽溶解在0.1mol/L的NaCl溶液之中，并以此为活性层材料置于两个功函不同的Ag电极之间形成简单的电池结构，实验测得的光电转化效率极低^[4]。此后二十年间，有机太阳能电池领域并未取得突破性进展，研究者大多是将单晶蒽材料换成了其它有机半导体材料进行性能测试，但是光电转化效率没有得到明显改善。我们把这类有机太阳能电池称为“肖特基型有机太阳能电池”，它的基本原理是：有机半导体内部电子在受到光照作用从HOMO能级激发到LUMO能级，在HOMO能级上留下空穴，由于库仑力的作用，电子和空穴成对存在，称为激子^[5]。激子到达界面处，由于电势驱动力的存在，激子转变为自由移动的电子与空穴，空穴与高功函数电子产生的电子结合，电子被低功函数的电极所捕获，光电流就这样产生了。但是肖特基型电池由于自身的缺陷导致激子分离率很低，往往光电转化效率不高。

直到1986年，有机太阳能电池才有极大的进步。为这个突破做出贡献的，主要是来自柯达公司的邓青云博士。他通过模仿无机异质结太阳能电池，利用酞菁铜和苝四羧酸衍生物制成了双层薄膜有机光伏电池^[6]。虽然得到的光电转化效率仅1%，但却开创了给受体双层异质结结构的先河，为此后有机太阳能电池发展提供了新思路。

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