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基于苝二酰亚胺有机小分子受体材料的合成与光伏性能研究

唐锋  
【摘要】:近年来,随着非富勒烯受体材料的不断开发,非富勒烯有机太阳能电池的效率已经超过富勒烯有机太阳能电池。非富勒烯受体材料分为聚合物和有机小分子,相对聚合物而言,有机小分子具有确定的分子量、结构准确、容易提纯等优点。苝二酰亚胺(PDI)作为非富勒烯太阳能电池研究最早的受体材料之一,因其独特的分子结构,能级可调,并且与窄带隙聚合物光谱互补等优点而备受关注。然而,PDI具有强的刚性共轭平面结构,在制作共混异质结器件时容易聚集、结晶,限制了器件效率的提高。很多研究者致力于设计合成强扭曲的分子结构来减少这种聚集行为,但削弱了其电荷传输能力。因此,高效PDI类小分子受体结构的设计既要维持一定的扭曲构型来减少聚集,又要保证其共轭的体系增强电荷传输能力。本文综述了本体异质结太阳能电池中非富勒烯小分子受体材料的最新研究进展,从分子结构上对其性能进行了剖析,以及作为活性层材料的相关设计策略。通过综合考虑吸收光谱、分子能级、溶解性能、电子/空穴迁移率以及相形貌等诸方面,设计并合成了四个含PDI的小分子受体材料。利用核磁共振谱图、飞行时间质谱和元素分析等测试方法对合成的中间体以及目标分子进行了表征,并系统地研究了它们的光物理、电化学和光伏性能。本论文的主要研究内容如下:(1)设计合成了三个基于三聚茚为核,苝二酰亚胺为臂通过三种桥联方式(碳碳三键,碳碳单键,单键环化)连接的非富勒烯小分子受体T-PDI,S-PDI和R-PDI。详细地研究了这三种连接方式对受体的光物理、电化学和光伏性能的影响。研究结果表明,在设计非富勒烯小分子受体材料时,中心核与受体单元间的连接方式对光伏性能起着重要作用。环化的R-PDI受体与给体材料PTB7-Th有着合适的微相分离形貌。较高的电子迁移率和最好的光伏性能。加入1%的氯萘添加剂后,基于PTB7-Th与R-PDI的有机太阳能电池器件表现出4.19%的最佳能量转换效率(PCE)和1.0 V的高开路电压(V_(OC))。(2)设计合成了一种以芘核为稠环中心的强刚性共轭星型四臂小分子受体B-4TPDI,研究了三键桥联方式对苝二酰亚胺类受体光物理、电化学以及光伏性能的影响。研究结果表明,小分子在300-700 nm范围内有较强的吸收,这有利于与窄带隙聚合物给体形成吸收互补,从而提高器件的短路电流密度(J_(sc))。与给体聚合物PTB7-Th共混后,有机太阳能电池器件表现出7.71%的最佳PCE和18.13 mA cm~(-2)的高J_(sc)。随后,我们把B-4TPDI作为第三组分添加到高效二元器件PTB7-Th:ITIC和PBDB-T:ITIC中来制备三元有机太阳能电池,分别得到了8.76%,10.93%的PCE,显著提高了原二元电池的短路电流密度。


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