基于苯并二噻吩和二（噻吩并[3,2-b]吡啶）并苯的D-A型小分子和聚合物的合成及光伏性能研究

【摘要】：有机太阳能电池由于低成本、质量轻、可柔性制备等优点受到了广泛的关注和研究。越来越多的共轭单体被应用到有机光伏电子给体材料中,研究人员通过调节有机光伏电子给体材料的能级和吸收光谱与有机光伏电子受体材料匹配,从而使得有机太阳能电池的光电转换效率不断提高。本文系统了介绍了有机太阳能电池的发展历程、工作原理以及基于苯并[1,2-b:4,5-b?]二噻吩(BDT)的有机太阳能电池电子给体材料。设计合成了基于BDT和苯并二(噻吩并[3,2-b]吡啶)的D-A型小分子和聚合物电子给体材料,研究了这些小分子和聚合物材料的光物理、电化学性能以及在本体异质结有机太阳能电池(BHJ-OSC)中的光伏性能,揭示了这些小分子和聚合物电子给体材料结构对电池器件能量转换效率的影响关系。本论文取得的研究结果如下:1.合成了基于BDT和吡咯并吡咯二酮(DPP)单元的二维A-D-A型有机小分子电子给体材料BDTx-2TVTDPP和BDTy-2TVTDPP。研究了BDT单元在分子骨架上的取代位置对分子的热稳定、吸收光谱、电化学、光伏等性能的影响。研究结果表明:基于2,6取代BDT单元的BDTx-2TVTDPP小分子具有更好的结晶性和更窄的光学带隙(1.61 eV);基于4,8-取代BDT单元的BDTy-2TVTDPP小分子具有更低的HOMO能级(-5.3 eV)和更强的光响应能力;基于BDTy-2TVTDPP/PC71BM的BHJ-OSC器件呈现了更高的光电转换效率(PCE)、开路电压(Voc)和短路电流(Jsc),其PCE、Voc和Jsc值分别为2.85%、0.86 V和8.6 mA/cm2。2.合成了基于苯并二(噻吩并[3,2-b]吡啶)(BDPT)单元的D-A型共轭聚合物PBDPT-DPP和PBDPT-Qx,系统研究了吸电子基团DPP和喹喔啉(Qx)对聚合物的热稳定性、吸收光谱、电化学、光伏等性能的影响。研究结果表明:(1)与PBDPT-DPP相比,PBDPT-Qx的空穴迁移率提高了一个数量级,为3.20×10-4cm2V-1S-1;(2)PBDPT-Qx具有更低的HOMO能级(-5.52 eV)和更强的光响应能力;(3)基于PBDPT-Qx/PC71BM的BHJ-OSC器件显示了更好的光伏性能,相应的PCE、Voc、Jsc和FF值分别为3.91%、0.86 V、8.86 mA/cm2和50.98%。3.合成了基于8-苯基取代BDT和苯并二噻吩-4,8-二酮单元的D-A型共轭聚合物PP7和PP8,研究了侧端引入2-乙基己基烷氧基的数量对聚合物的热稳定性、吸收光谱、电化学、光伏等性能的影响。研究发现:(1)聚合物PP7和PP8在活性层中的堆积取向分别为edge-on和face-on,face-on的堆积取向更易于自由电荷的传输,从而提高材料的光伏性能;(2)基于PP8/PC71BM和PP8/ITIC活性层的BHJ-OSC器件的光电转换效率分别达到了8.50%和9.01%,后者的Voc、Jsc、FF值分别为0.90 V、16.69 mA/cm2和60.0%。