基于卟啉和酞菁的阴极界面修饰材料及其在有机太阳能电池中的应用

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作者：

贾涛

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摘要：

近年来,有机太阳能电池(OSCs)发展迅速,在材料开发、器件结构和界面工艺的优化方面取得了很大的进步,单节OSCs器件能量转化效率(PCE)已经突破10%。然而改良阴极界面修饰层减小电荷收集/分离的障碍形成欧姆接触提升PCE近年来引起科研工作者越来越多的关注。氟化锂、金属氧化物和醇或水溶解的聚合物和有机小分子常用为阴极界面修饰材料,相比于其它的阴极界面修饰材料,醇或水溶解性的有机小分子和聚合物在OSCs器件制作过程中利用旋涂技术形成界面修饰层,避免了真空蒸镀设备制膜的繁琐。本论文中,首先我们合成了一系列离子型卟啉和酞菁阴极界面修饰材料并研究了它们的物理化学性质；然后,我们利用新合成的卟啉和酞菁衍生物制备成阴极界面修饰层,探究其光伏性能。 1、第二章中,我们合成了三种离子型的卟啉衍生物:Zn-TPyPMeI、Zn-TPyPAdBr和MnCl-TPyPAdBr。利用旋涂方法将三种化合物制备成阴极界面修饰层,以PCDTBT和PC71BM共混做为光活性层,制备成传统的正装OSCs器件。相比于无阴极界面修饰层的光伏器件,器件的短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)提升幅度很大,其中以MnCl-TPyPAdBr作为阴极界面修饰层,器件的PCE最高,达到6.86%。通过改变四吡啶基卟啉(H2-TPyP)分子中连接吡啶官能团的亲水端基和中心配位金属,实现了对阴极界面修饰层光伏性能的微调控,为制备性能更加优异的阴极界面修饰材料提供了有益的信息。 2、第三章中,首先用2-二甲胺基乙硫醇官能团取代酞菁锌的八个β位置(ZnPc[S(CH2)2N(CH3)2]8),然后再经过甲基化得到离子型的酞菁锌衍生物ZnPc[S(CH2)2N(CH3)3I]8。利用旋涂方法将ZnPc[S(CH2)2N(CH3)3I]8制备成阴极界面修饰层,以PCDTBT和PC71BM共混做为光活性层,制备成传统的正装OSCs器件。相比较无阴极界面修饰的光伏器件,Jsc、Voc和FF提升显著,PCE进一步提升至7.06%。 3、第四章中,通过改变连接在2,3,9,10,16,17,23,24-octakis (3-pyridyloxy)vanadylphthalocyanine (VOPc(OPy)8)分子中吡啶官能团上的烷基链,合成了三种离子型的酞菁衍生物:VOPc(OPyC2H5Br)8、VOPc(OPyC4H9Br)8和VOPc(OPyC6H13Br)8。并利用旋涂方法制备成阴极界面修饰层,以PTB7:PC71BM共混做为光活性层,制备成传统的正装OSCs器件。在本章中我们通过简单的有机合成方法,增长连接在VOPc(OPy)8吡啶官能团上的烷基链,一方面减弱分子间的相互作用,另一方面增加烷基链的长度能把这类离子型酞菁化合物从水溶性变成醇溶解性的,增加与疏水性光活性层的浸润性。这些为开发高性能且高成膜质量的阴极界面修饰材料提供了有帮助的信息。 4、第五章中,我们以2,3,9,10,16,17,23,24-octakis-[N-methyl-(3-pyridyloxy)] zincylphthalocyanine iodide (1:8)(ZnPc(OPyCH3I)8)为核心,在ZnPc(OPyCH3I)8的八个位置引入不同长度的烷氧基链合成出三种醇溶解性的酞菁衍生物: ZnPc(OC4H9OPyCH3I)8、 ZnPc(OC6H13OPyCH3I)8和ZnPc(OC8H17OPyCH3I)8。并利用旋涂方法制备成阴极界面修饰层,以PTB7:PC71BM共混做为光活性层,制备成传统的正装OSCs器件,PCE最高达到8.73%。由于酞菁分子具有非常大的π共轭系统,容易聚集,导致形成的薄膜不是很平整。所以我们在ZnPc(OPyCH3I)8分子的八个位置引入不同长度的烷氧基链进而减弱分子间强的π-π相互作用,增加与疏水性光活性层的浸润性,期望在光活性层上形成质量良好的薄膜。我们利用原子力显微镜和接触角等测试仪器系统的研究了阴极界面修饰层的形貌,而且我们还对不同光活性层进行了普适性的研究。值得注意的是,当烷氧基链长度增加到八时,ZnPc(OC8H17OPyCH3I)8在乙醇溶剂中的溶解性非常好,并且ZnPc(OC8H17OPyCH3I)8利用乙醇作为溶剂旋涂成膜得到的器件,解决了保持光伏器件高效率的同时又能在光活性层上拥有良好的浸润性的问题,而且还对环境友好无毒无害。为开发高性能且绿色环保的阴极界面修饰材料提供了有帮助的信息。

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关键词：

有机太阳能电池,阴极界面修饰材料,卟啉,酞菁

学位级别：

博士