丙二腈取代烷基喹吖啶酮化合物的合成、结构与光伏特性研究

论文摘要

本文设计、合成了14种丙二腈取代烷基喹吖啶酮化合物,并对其光物理特性、热力学特性、电化学特性、单晶结构、自组装特性、分子轨道分布及其体异质结光伏器件的制备、优化和机理等进行了研究,讨论了材料分子的结构、自组装特性等与光伏器件性能之间的关系,获得了一些具有较好光伏特性的小分子受体材料。1、合成了8种双丙二腈取代烷基喹吖啶酮化合物,研究了丙二腈基团的引入对烷基喹吖啶酮材料性能的影响。该系列化合物具有较窄的带隙,较好的溶液加工特性,较高的热稳定性,可逆的电化学氧化还原性能以及与P3HT匹配较好的分子轨道能量。是一类适合于有机体异质结太阳能电池的小分子受体材料。2、通过X-射线单晶衍射、XRD及DSC等方法分别研究了丙二腈取代烷基喹吖啶酮系列化合物的分子构型与分子堆积方式、晶体层状结构与二维生长优势,以及无定形冷却与热致结晶的特性。丙二腈基团的引入使喹吖啶酮刚性核发生较大程度的弯曲,降低分子间π…π相互作用力,进而降低分子的结晶能力。分子间其它各种弱相互作用的竞争使不同分子具有不同的聚集特性和结晶特性,该研究对丙二腈取代烷基喹吖啶酮系列化合物在有机体异质结太阳能电池中的应用和对电池活性层形貌的控制与理解等方面有重要的意义。3、通过紫外-可见吸收光谱、原子力、XRD等方法考察了系列丙二腈取代烷基喹吖啶酮受体材料在有机体异质结太阳能电池活性层中的吸收特性和聚集特性,同时采用空间电荷限制电流（SCLC）方法估算了材料的电子迁移率。以P3HT为给体制备了基于丙二腈取代烷基喹吖啶酮受体材料的体异质结光伏器件并对器件性能进行了表征。结果表明,通过引入吸光型受体材料可以明显增加光伏器件对太阳光谱的响应范围,取代烷基的长度对材料的迁移率、成膜特性、与给体分子的相互作用以及器件性能有较大影响。其中以DCN-8CQA为受体的光伏器件实现了1.57%的光电转换效率,仅次于国际报道的非富勒烯小分子受体材料体异质结光伏器件性能的最高值2%,证明丙二腈取代烷基喹吖啶酮是一类较好的小分子光伏受体材料。4、设计合成了一系列单丙二腈取代烷基喹吖啶酮化合物。系统研究了这些化合物的光物理、热力学、电化学以及光伏性能。单丙二腈取代烷基喹吖啶酮较双丙二腈取代烷基喹吖啶酮化合物有更高的LUMO能量,采用单丙二腈取代烷基喹吖啶酮化合物制备出的光伏器件具有显著提高的开路电压。通过XPS分析证明在有机/铝界面处受体分子与金属铝的相互作用以及氧化铝薄层的形成可能也是引起开路电压提高的重要原因之一。该研究注重于体异质结光伏电池有机/电极界面,对进一步提高开路电压,提高电池光电转换效率的研究具有重要的指导意义。

论文目录

• 内容提要
• 第1章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 有机太阳能电池简介
• 1.2.1 太阳能电池的研究历史和现状
• 1.2.2 有机太阳能电池的器件结构与制造工艺
• 1.2.3 有机太阳能电池的机理与性能表征
• 1.2.4 影响有机太阳能电池性能的因素
• 1.2.5 有机太阳能电池材料简介
• 1.2.6 有机太阳能电池的发展趋势
• 1.3 思路、方法和主要成果
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 主要研究成果
• 参考文献
• 第2章 丙二腈取代烷基喹吖啶酮化合物的合成与基本特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 合成
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 合成路线
• 2.3 光物理特性
• 2.3.1 吸收光谱
• 2.3.2 荧光光谱
• 2.4 热力学性能
• 2.4.1 TGA分析
• 2.4.2 DSC分析
• 2.5 电化学性能
• 2.5.1 仪器与测量方法
• 2.5.2 结果分析
• 2.6 理论计算
• 2.6.1 计算方法
• 2.6.2 结果分析
• 2.7 本章小结
• 参考文献
• 第3章 丙二腈取代烷基喹吖啶酮化合物的晶体结构及结晶特性
• 3.1 引言
• 3.2 单晶结构分析
• 3.2.1 晶体生长与测试方法
• 3.2.2 晶体结构分析
• 3.3 晶体的XRD分析
• 3.4 丙二腈取代烷基喹吖啶酮的热致结晶及结晶荧光增强
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 丙二腈取代烷基喹吖啶酮受体体异质结光伏电池
• 4.1 引言
• 4.2 活性层光物理特性
• 4.2.1 P3HT:DCN-nCQA（n=4,6,8）混合膜的吸收特性
• 4.2.2 P3HT:DCN-nCQA（n=4,6,8）混合膜的荧光淬灭
• 4.3 XRD光谱
• 4.4 原子力
• 4.5 能级与迁移率
• 4.5.1 LUMO能量估算
• 4.5.2 迁移率估算
• 4.6 体异质结光伏器件的制备与性能表征
• 4.6.1 器件制备
• 4.6.2 器件优化与特性表征
• 4.6.3 实验结果分析
• 4.7 其它丙二腈取代烷基喹吖啶酮衍生物的光伏器件的性能
• 4.7.1 混合膜的吸收特性
• 4.7.2 光伏特性
• 4.8 本章小结
• 参考文献
• 第5章 有机体异质结太阳能电池开路电压的研究
• 5.1 引言
• 5.2 单丙二腈取代烷基喹吖啶酮的合成与基本性质
• 5.2.1 合成与材料表征
• 5.2.2 吸收特性
• 5.2.3 热稳定性
• 5.2.4 电化学特性
• 5.2.5 理论计算
• 5.3 单丙二腈取代烷基喹吖啶酮小分子受体的光伏特性
• 5.4 光电子能谱（XPS）研究
• 5.4.1 实验设备与样品制备
• 5.4.2 实验结果
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第6章 结论
• 附1:一系列氨基苯甲酸氢键二聚体的聚集诱导发光特性的研究
• 附2:双苯基吡喃酮与酸的离子键/氢键及其荧光开关特性的研究
• 作者简历
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果
• 致谢
• 摘要
• Abstract