含吡啶并噻二唑小分子材料的合成、性質與光伏電池之應用

Abstract

因應能源危機，可再生的綠色能源為近代科學及產業界的研究重點，太陽能有取之不盡用之不竭的優點，而有機太陽能電池對環境不具危害性能永續發展，使用小分子作為太陽能電池的電子予體，因其量產品質較一致且結構明確，吸引學界投入研究。 先前的文獻中指出，增加分子中拉電子基的強度可以同時降低分子的最高佔有軌域和最低未佔有軌域，使染料能隙降低，有助於太陽能電池表現上獲得較好的效率。本篇論文從已開發出的D – A – A (Donor – Acceptor – Acceptor) 型有機小分子材料進行改良，使用吡啶并噻二唑 (PTD) 作為中央的拉電子基，調控使吡啶的氮在不同方向的位置上，再分別以噻吩和苯環作為推拉電子基團中間的π橋、以單氰基作為末端拉電子基團，合成出 CTiPTD、CToPTD、CPiPTD、CPoPTD 四個分子，此四個分子最大吸收波段約在 600 nm 附近，擁有良好的消光係數，和氟取代的苯并噻二唑 (FBT) 作為中央拉電子基的分子比較後，發現其吸收光譜均有紅移之現象，同時具有較低的能階位置。將其與電子予體材料C70作混摻，測量其光伏電池表現，光電轉換效率 (PCE) 均在 5% 以上，和對照組作比較，CTiPTD和CPoPTD擁有較佳的結果，其中以 CTiPTD 的表現最佳，最佳化元件結構得到 0.91 V 之開路電壓，13.34 mA/cm2 之短路電流，以及 7.58% 之光電轉換效率。 使用PTD作為中央的拉電子基，雖然成功使吸光紅移、能階下降，但是在效率表現上提升效果有限，而從材層中電子予體和受體之間的最低未佔有軌域的能階差來看，離最低可有效進行電荷拆解的能階差0.3 eV還有一段差距，因此為了進一步提升光電轉換效率，我們將末端的氰基改成拉電子性更強的二氰伸乙烯基，合成出DCTiPTD、DCToPTD、DCPiPTD、DCPoPTD 四個分子，從其吸光光譜來看，平均約有至少70 nm左右的紅移，能階也有明顯的下降，可期望在光伏電池效率表現上能有更好的結果。