噻吩并咔唑稠环基有机光敏剂的合成及其光伏性能研究

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1、学校代号10530学号201510141493分类号O63密级公开硕士学位论文噻吩并咔唑稠环基有机光敏剂的合成及其光伏性能研究学位申请人曹群芳指导教师陈华杰副教授学院名称化学学院学科专业材料工程研究方向光电功能材料二零一八年六月Synthesisandphotovoltaicpropertiesofnovelorganicphotosensitizersbasedonthiophene-fusedcarbazoleCandidateQunfangCaoSupervisorAssociateProf.HuajieCh

2、enCollegeCollegeofChemistryProgramMaterialsEngineeringSpecializationPhotoelectricFunctionalMaterialsDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018湘潭大学硕士论文I湘潭大学硕士论文摘要有机光敏剂是有机太阳能电池(OSCs)的核心部分，它自身的物理和化学性质决定着电池的光伏性能。因此，为进一步提升OSCs的能量转换效率，开发综合性能优

3、良的新型有机光敏材料具有重要研究意义。本文开发了系列噻吩并咔唑稠环(DTCC)基有机光敏剂，并采用核磁共振谱、质谱以及红外光谱等进行了结构表征。此外，我们还采用理论计算、紫外-可见吸收光谱和循环伏安等系统地研究了该类材料的光物理和电化学性质。基于合成的光敏材料，我们构建了OSCs，并探讨了材料结构与光伏性能之间的关系。主要研究结果如下：1、以DTCC为电子给体(D)和3-(二氰基亚甲基)靛酮为电子受体(A)，设计并合成了具有A-D-A构型的n-型有机半导体材料(DTCC-IC)。结果表明：DTCC-IC在500–7

4、20nm具有强的光捕获能力和高的摩尔消光系数(＞105M–1cm–1)，具有合适的HOMO/LUMO能级(–5.50/–3.87eV)。空间电荷限制电流法测试表明：DTCC-IC的电子迁移率高达2.17×10–3cm2V–1s–1，这可与富勒烯衍生物受体相媲美。在模拟太阳光(AM1.5G，100mWcm–2)照射下，基于聚合物给体PTB7-Th和DTCC-IC受体构建的本体异质结太阳能电池，获得的最高能源转换效率达6%。这表明DTCC是一类综合性能优异的电子给体构建单元，可用于开发高迁移率n-型有机半导体材料。2、

5、基于DTCC单元，设计并合成了系列D-A-π-A型有机染料C1–C3。其中，DTCC为电子给体，苯环为共轭桥连单元，羧酸为锚定基团。为了调控染料的分子骨架结构、吸收光谱、能级结构以及光伏性能，我们将第二辅助受体(譬如，苯并噻二唑，BT；二氟苯并噻二唑，DFBT；和吡啶噻二唑，PT)引入到染料C1–C3的分子骨架中。结果表明：强的D-A效应使得染料C1–C3具有强的分子内电荷转移和高的摩尔消光系数(>3.14×104M–1cm–1)，这确保了该类染料具有强的光捕获能力；相比BT-基染料C1，DFBT-基染料C2中的氟

6、取代破坏了分子骨架的共平面性，使得C2的电荷转移吸收峰发生了7nm的蓝移。然而，PT-基染料C3中氮的引入，增强了染料分子骨架的共平面性，使得C3的电荷转移吸收峰发生了52nm的红移。但分子骨架共平面性的增强同时加强了染料C3在TiO–2)2膜上的聚集。在模拟太阳光(AM1.5G，100mWcm照射下，基于染料C1–C3构建染料敏化太阳能电池的能源转换效率分别为6.75%、5.40%和1.85%。关键词：噻吩并咔唑稠环；有机光敏剂；有机太阳能电池II湘潭大学硕士论文AbstractOrganicphotosensi

7、tizersisthekeypartoforganicsolarcells(OSCs),whosephysicalandchemicalpropertieshaveadeepinfluenceonphotovalticperformanceofOSCs.Therefore,itisofgreatsignificancetodesignandsynthesizehigh-performanceorganicphotosensitizerstoboostthepowerconversionefficiency(PCE)

8、ofOSCs.Inthisdissertation,wehavedesignedandsynthesizedaseriesoforganicphotosensitives,inwhichathiophene-fusedcarbazole(DTCC)coreisservedaselectron-donatingunit.Themolecularstructur