二噻吩并噻吩衍生物之新合成方法研究與其在反式鈣鈦礦太陽能電池之應用

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江昆樺(Kun-Hua Chiang) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學工程與材料工程學系

論文名稱

二噻吩并噻吩衍生物之新合成方法研究與其在反式鈣鈦礦太陽能電池之應用
(New Synthesis of 3,5-Dihexyldithienothiophene (DTT) Using Inexpensive CuI & S8 in Annulation Step − Synthetic Study and Application in Inverted Perovskite Solar Cells)

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摘要(中)

近年來由於環保意識的重視和石化燃料的逐漸枯竭，以及曾在1973年發生了石油危機，這讓世界各國意識到能源開發的重要性，所以各地學者致力於研究再生能源，而再生能源中的太陽能是一個具有潛力的研究方向，其中以鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cell, PSC)的研究越來越受到重視，本團隊嘗試以新型省步驟合成途徑，製備出鈣鈦礦太陽能電池中的電洞傳輸層(hole-transporting material, HTM)。

二噻吩并噻吩是光電材料中重要的單元，在有機太陽能電池(organic photovoltaic, OPV)、有機發光二極體(organic light-emitting diode, OLED)、有機場效電晶體(organic field-effect transistor, OFET)及染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell, DSSC)等領域之應用極為廣泛，且光電性質上也有出色的表現，因此本團隊嘗試開發以二噻吩并噻吩作為核心結構，連接末端基合成出有機共軛小分子，並應用於鈣鈦礦太陽能電池之電洞傳輸層。

材料合成方面，二噻吩并噻吩(dithienothiophene, DTT)在文獻中大多使用步驟較繁瑣、成本昂貴的傳統方法。有別於傳統合成途徑，本團隊以低成本、方法簡單為目標，嘗試使用低價銅觸媒下進行碳-硫合環出二噻吩并噻吩，並且篩選不同硫原子來源、配位基及溶劑來尋找出最佳化條件為本篇重點之一，再利用鈀催化劑及銅催化劑直接碳氫鍵芳香環化合成出KHC01-KHC04，最後以此四種有機小分子實際應用在反式鈣鈦礦太陽能電池的電洞傳輸層，並探討其光電性質的相關表現。

摘要(英)

In recent years, due to the increasing emphasis on environmental awareness and the gradual depletion of petrochemical fuels, as well as the oil crisis of 1973, countries around the world have realized the importance of energy development. As a result, scholars worldwide have been dedicated to researching renewable energy sources, with solar energy being a particularly promising area of study. Among renewable energy sources, the research on perovskite solar cells (PSC) has been receiving increasing attention. Our team is attempting to synthesize the hole-transporting material (HTM) for perovskite solar cells using a novel, more efficient synthesis approach.

Dithienothiophene (DTT) is an essential unit in optoelectronic materials, widely applied in various fields such as organic photovoltaics (OPV), organic light-emitting diodes (OLED), organic field-effect transistors (OFET), and dye-sensitized solar cells (DSSC). It exhibits excellent optoelectronic properties. Therefore, our team is striving to develop organic conjugated small molecules by using dithienothiophene as the core structure, with appended end groups, and apply them as the hole-transporting material in perovskite solar cells.

In terms of material synthesis, the traditional methods for synthesizing dithienothiophene described in the literature are often cumbersome and costly. Diverging from the conventional synthesis routes, our team aims for a low-cost, straightforward approach. We are attempting direct C-S cyclization of dithienothiophene using inexpensive copper catalysts and exploring various sulfur sources, coordinating ligands, and solvents to identify the optimal conditions. Subsequently, we are synthesizing KHC01-04 via direct carbon-hydrogen aromatic cyclization using palladium and copper catalysts. Finally, we are applying these four organic small molecules as hole-transporting materials in inverted perovskite solar cells and investigating their photovoltaic properties.

關鍵字(中)

★ 二噻吩并噻吩
★ 銅催化劑
★ 反式鈣鈦礦太陽能電池

關鍵字(英)

★ dithienothiophene
★ copper catalyst
★ inverted perovskite solar cells

論文目次

摘要 ii
Abstract iii
謝誌 v
目錄 vi
圖目錄一 ix
圖目錄二 xi
表目錄一 xiii
表目錄二 xiv
化合物對照表 xv
一、緒論 1
1-1、二噻吩并噻吩 2
1-2、(烷基)二噻吩并噻吩於光電材料中的應用 3
1-2-1、(烷基)二噻吩并噻吩應用於有機發光二極體 4
1-2-2、(烷基)二噻吩并噻吩應用於有機場效應電晶體 6
1-2-3、(烷基)二噻吩并噻吩應用於染料敏化太陽能電池 8
1-2-4、(烷基)二噻吩并噻吩應用於有機太陽能電池 10
1-2-5、(烷基)二噻吩并噻吩應用於鈣鈦礦太陽能電池 12
1-3、鈣鈦礦太陽能電池之介紹 15
1-3-1、鈣鈦礦太陽能電池結構與工作機制 16
1-3-2、鈣鈦礦太陽能電池:正結構(regular)與反結構(inverted) 17
1-3-3、鈣鈦礦太陽能電池:元件參數介紹[38] 18
1-4、鈣鈦礦太陽能電池:電洞傳輸層 20
1-5、二噻吩并噻吩作為電洞傳輸層應用在反式鈣鈦礦太陽能電池 22
1-6、烷基二噻吩并噻吩的合成途徑 23
二、研究動機 27
三、結果與討論 30
3-1、合成3,5-二己基二噻吩并噻吩之起始物 31
3-2、合成核心結構:3,5-二己基二噻吩并噻吩 32
3-3、3,5-二己基二噻吩并噻吩的克級合成 38
3-4、引入不同元素與5a進行反應 39
3-4-1、引入硒原子生成6b之合成 40
3-4-2、引入含氮原子脂肪族化合物生成6c之合成 41
3-4-3、引入含氮原子芳香族化合物生成6d之合成 42
3-4-4、引入含矽原子脂肪族化合物生成6e之合成 42
3-4-5、引入含三鍵芳香族化合物生成6f之合成 43
3-5、合成以3,5-二己基二噻吩為核心結構之電洞傳輸材料KHC01-04 44
3-6、KHC01一鍋化反應(one-pot reaction)嘗試 48
3-7、銅催化反應機制探討 50
3-8、KHC01-KHC04作為電洞傳輸層的性質探討 52
3-8-1、KHC01-KHC04之熱性質 52
3-8-2、KHC01-KHC04之光化學性質 54
3-8-3、KHC01-KHC04之電化學性質 56
3-8-4、KHC01-KHC04之電洞遷移率 59
3-8-5、反式鈣鈦礦太陽能電池之元件性質量測和表現:KHC01-KHC04 61
3-8-6、KHC01-KHC04之螢光量測 70
四、結論 74
五、未來展望 75
六、實驗部分 76
6-1、藥品溶劑與儀器設備 76
6-2、反式鈣鈦礦太陽能電池元件製程 78
6-3、起始物2a-5a之合成步驟與鑑定 80
6-4、核心結構6a之關鍵合成步驟與鑑定 84
6-5、6b-6e之合成步驟與鑑定 85
6-6、KHC01-KHC02之合成步驟與鑑定 90
6-7、KHC03-KHC04之合成步驟與鑑定 93
6-8、KHC05之合成步驟與鑑定 96
七、高解析質譜圖與核磁共振光譜圖 99
八、參考文獻 129

參考文獻

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指導教授

劉青原(Ching-Yuan Liu)

審核日期

2024-8-12

推文