染料敏化剂的合成与有机太阳能电池研究

大学生研究性学习和创新性实验计划项目结题报告书项目名称染料敏化剂的合成与有机太阳能电池研究项目主持人王加秀所在学校及院系湘潭大学化学学院项目级别□国家级■省级□校级立项年份2011年5月指导老师谭松庭教授填表日期2013年3月16日湘潭大学教务处制一、基本情况项目名称染料敏化剂的合成与有机太阳能电池研究立项时间2011年5月完成时间2013年3月项目主要研究人员序号姓名学号专业班级所在院（系）项目中的分工1王加秀2009600701高分子材料与工程1班化学学院材料合成2于秋萍2009600709高分子材料与工程1班化学学院材料合成3薛龙良2009600711高分子材料与工程1班化学学院材料合成4罗启文2009600731高分子材料与工程1班化学学院器件制作5李娅2009600113化学1班化学学院器件制作二、研究成果简介项目成果类型□产品□系统软件□论文□专利□其它（注：请在相应成果复选框内打“√”，其它请具体说明）项目成果名称论文：基于苯并二噻吩和苯并噻二唑的A-D-A型小分子的合成及其光伏性能研项目研究的目的、意义；研究成果的主要内容、重要观点或对策建议；成果的创新特色、实践意义和社会影响；研究成果和研究方法的特色。限定在2000字以内。能源是一个国家的战略物资，是经济发展必不可少的重要组成部分。世界上能源种类虽然较多，但是约80%依赖于不可再生的化石能源，而目前这些常规能源不得不面临的一个窘境就是随着经济的快速发展，能源的快速消耗导致能源匮乏的情况愈发明显，能源即将面临枯竭的地步。据数据统计，目前世界上主要化石能源的使用年限为：石油42年；天然气67年；煤200年。此外，这些化石能源带来的另一个负面效应就是对生态环境的严重污染，严重影响人类的身体健康和赖以生存的自然环境。因此，研究开发可再生洁净新能源有望缓解世界能源和环境的压力，这也是实现经济可持续发展的重要战略举措。太阳能是地球上分布最广阔的可再生能源，取之不尽，用之不竭。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.5×1026W)的二十二亿分之一，但是却已高达173000TW，太阳每40分钟照射到地球上的辐射能量就足以满足人类一年的能量需求。此外，太阳能与石油，煤炭等矿物燃料明显不同的是，太阳能获取方便，其应用既不会给空气带来污染，也不会破坏生态环境，是目前最清洁，安全的可再生能源。同时，太阳能与√水能，风能，地热能相比，其应用不受地域限制，利用成本低，具有其他可再生能源无法比拟的优势。有机太阳能电池（OSCs）作为一种洁净、有竞争力的可再生能源，因其成本低、重量轻和高的机械柔韧性而受到广泛关注。基于聚合物给体和富勒烯受体的聚合物太阳能电池的能量转换效率（PCEs）已经达到了7-9%。但是，聚合物给体材料总存在着逐批质量差异、纯化困难以及分子量分布宽等缺点。因此，用于本体异质结（BHJ）太阳能电池的可溶液加工的小分子给体材料因其简单的合成与纯化、确定的分子结构及其制作的再现性已经得到了越来越多的注意。事实上，一些可溶液加工的小分子，如低聚噻吩，三苯胺，吡咯并吡咯二酮（TPP），方酸和苯并噻二唑（BT）衍生物，已经表现出了很大的发展潜力。近来，小分子异质结（SMBHJ）太阳能电池已获得了6-7%的突出效率，已发表的最高效率达到了7.38%，这已靠近聚合物太阳能电池的最高效率。染料敏化太阳能电池（DSSCs）以其比无机硅太阳能电池相对廉价的原材料和简单的制备工艺，高的光电转换效率,引起了人们极大研究兴趣。经过近几年来各国科学家的努力，这类太阳能电池的性能已经有了较大的提高。目前用液态电解质的染料敏化太阳能电池的光电转换效率已超过10%，但因为其选用的敏化剂中含有稀有元素Ru而无法的得到推广和应用，要想将染料敏化太阳能电池真正投入实际应用，仍有许多理论和实际问题有待于解决，特别是需要设计合成高效率低成本的新型染料敏化剂，并采用突破传统的新方法和新技术，设计和制备太阳能电池的新材料和新器件。本研究项目的意义在于拟合成一类具有吸收范围宽，稳定性好，光电转换效率高，价廉环保的光敏剂,并进行结构表征。将合成的有机小分子光敏剂与PC61BM混合作为有机太阳能电池的光敏层材料，研究和测试有机太阳能电池的光伏性能，为获得高光电转换效率的有机太阳能电池器件提供新材料.三、项目研究总结报告预定计划执行情况，项目研究和实践情况，研究工作中取得的主要成绩和收获，研究工作有哪些不足，有哪些问题尚需深入研究，研究工作中的困难、问题和建议。（字数不限，可加页面）经过两年的努力，我们按期完成了预定计划，并取得了阶段性成果。1、基于苯并二噻吩和苯并噻二唑的A-D-A型小分子的合成及其光伏性能研究：我们设计并合成了四种以2-异辛氧基和2-异辛硫基取代的BDT为中心构造块及DTBT为吸电子单元的低能隙A-D-A结构的小分子（如图1所示）。这些小分子在350-700nm处都有较强的光谱吸收，且其HOMO能级均较低（在-5.21至-5.37eV之间）。L4中的BDT单元用2-异辛硫基取代，基于它的太阳能电池有最大的开路电压（0.68V）。以L1/PC61BM（1:2,w/w）制作的本体异质结太阳能电池，因其拥有最宽的紫外吸收光谱和最大的消光系数，获得了最高的能量转换效率。该项研究成果已经撰写成论文“SynthesisandphotovoltaicperformancesofA-D-Asmallmoleculesbasedonbenzo[1,2-b:4,5-b]dithiopheneand4,7-dithien-5-yl-2,1,3-benzothiadiazole”，已投到国外SCI期刊MaterialsChemistryandPhysics上，其中王加秀为第五作者。3004005006007008000246810L1L2L3L4Extinctioncoefficient(104M-1cm-1)Wavelength(nm)(a)图1.目标小分子结构及其氯仿溶液的紫外-可见吸收光谱同时，我们详细地研究了这些目标分子的热性能、光物理性能、电化学性能及其光伏性能。我们运用热失重分析（TGA）在氮气环境中以20℃/min的加热速率测试了L1-L4的热稳定性，这四个小分子在失重5%时的起始分解温度大约为200℃，说明其有较好的热稳定性能。我们先改变L1/PCBM的比例对器件进行优化，发现比例为1/2时获得了最优性能，于是我们就用1/2的比例对基于L2-L4的光伏器件进行测试，其光伏性能数据如表1所示。为了进一步了解太阳能电池性能的多样性，我们测试了这些小分子的空穴迁移率。测试结果显示，L1-L4的空穴迁移率分别为4.4×10–7cm2V-1s-1，1.1×10–7cm2V-1s-1，1.2×10–6cm2V-1s-1和4.1×10–8cm2V-1s-1。值得注意的是，L3的空穴迁移率比L4的大两个数量级，这很有可能是L3的效率比L4的高的另一个原因。我们成功地合成并表征了四个新的低能隙小分子。以2-异辛硫基取代的BDT单元第一次被引入小分子给体材料用作中心构建单元，而基于L4的器件显示了最高的开路电压。这预示着2-异辛硫基取代的BDT单元是一个值得进一步研究的有前景的构造块。另外，L1与L2的分子结构虽只有烷基链不同，但其性能却出现了戏剧性的差别。这意味着发展高性能给体材料应用于有机太阳能电池时，适当的烷基链扮演了一个关键的角色。表1.目标小分子OSCs的光伏性能数据ActivelayerratioJsc(mAcm-2)Voc(V)FFPCE(%)μh(cm2V-1s-1)L1:PC61BM1:12.020.480.260.261:1.52.790.480.290.391:22.230.620.290.404.4×10–71:2.52.560.460.280.33L2:PC61BM1:21.600.580.280.261.1×10–7L3:PC61BM1:22.260.640.260.381.2×10–6L4:PC61BM1:22.120.680.250.364.1×10–8总之，2年的创新性实验研究，不仅取得了阶段性成果，同时也使我们学到了很多课本上上所没有的知识，更加锻炼了我们的实验动手能力，使我们养成了良好的科学的思维习惯，培养了一定的团队合作精神，为以后的研究和创新奠定了基础。最后，感谢湖南省教育厅创新基金给了我们这次创新性研究和学习的机会，实验室的师兄师姐对我们实验的指导。四、经费使用情况经费合计1万元，其中，学校配套资助元，学院（所）配套资助元，其他经费元。经费支出情况：购买化学试剂与材料0.9万元,差旅费0.1万元。项目主持人（签名）：年月日五、指导教师及学院（系）审核意见项目指导教师对结题的意见，包括对项目研究工作和研究成果的评价等。负责人签章：年月日项目主持人所在学院（系）对结题的意见，包括对项目研究工作和研究成果的评价等负责人签章：年月日六、学校结题审核意见学校对项目研究的任务、目标、方法和研究成果水平等进行评价，是否结题。年月日注：表格不够可另附纸。